miércoles, 9 de diciembre de 2015

Sobre el extraordinario diseño del F-104 starfighter (Parte III Armamento y aviónica)

Ojo, artículo bastante técnico (Hala Pablo, por fin te doy gusto! ...espero no defraudar :)


Con su diseño se procuró sobre todo conseguir simplicidad y gobernabilidad: dotado de un único turborreactor y una ala de pequeñísima envergadura. Poseía un equipo operacional bastante reducido y se distinguïa especialmente por su elevadísima velocidad. Un avión impresionante para su momento y discutido donde lo haya, pero que para el Ejército del Aire español representaba el salto de la época subsónica al Mach 2. Por espacio de un lustro fueron los únicos interceptadores supersónicos con que contó el Ejército del Aire.

Con ellos se iniciaron los primeros ejercicios de interceptación a velocidad supersónica, operaciones de bombardeo con bombas frenadas por paracaídas y todo con unos niveles de seguridad no igualados ni en Europa ni en los EE.UU. La versión F-104G, desarrollada para Alemania y otros países de la OTAN, fue la utilizada por nuestro Ejército del Aire en 21 ejemplares (18 monoplazas F-104G y 3 biplazas TF-104G). Con su motor General Electric J79 de 7.165 Kg, de empuje con postcombustión, el C.8 (denominación oficial en el Ejército del Aire) poseía una fenomenal capacidad de aceleración y trepada. La producción total ascendió a 2.282 ejemplares. En España, el F-104G equipó un solo escuadrón (el 161, más tarde rebautizado 104 Escuadrón) desde 1965 hasta 1972. Los pilotos españoles no perdieron un solo F-104G en estos siete años, tras más de 17.000 horas de vuelo.

La aviónica del F-104G

El F-104G tenía 12 sistemas de aviónica que se encargaban de las dos funciones principales del aparato: Control de armas y comunicaciones-navegación-identificación, esta última función estaba altamente integrada. Muchos sistemas estaban dispuestos en cofres de aviónica o compartimentos situados en el lomo del avión detrás de la carlinga de pilotaje. Estas bahías de aviónica eran comúnmente llamadas "Jeep cans" en el argot de los mecánicos de electrónica debido a que se parecían mucho a los famosos bidones de combustible de 4 galones del mítico todoterreno. Algunos elementos del equipo de aviónica tenían ya integrada por aquella época la capacidad de autocomprobación (integridad y continuidad) nada más aplicar corriente. El mantenimiento de la electrónica estaba también pensado para poder ser realizado a pie de pista y despachar el aparato para que realice su misión lo antes posible.

El sistema de control de armas


Esta parte de la aviónica del F-104 estaba producida por Autonetics, que era una división de North American Aviation. La división "Electro Sensor Systems" de esta compañía era la encargada de fabricar los radares multimodo monopulso F-14 y F-15, más conocidos como NASARR (North American Search And Ranging Radar). El sistema R-14 se instaló en el F-105 Thunderchief, mientras que el más moderno y avanzado F-15 con capacidad de seguimiento del terreno Terrain Following fue instalado en el F-104 Starfighter. Ambos radares estaban dotados de capacidad de control y puntería Time On Target (ToT) que ofrecía una gran cantidad de precisión en el disparo. Ambos radares eran de la era "pre-solid state", por lo que todavía utilizaban las famosas y entrañables válvulas electrónicas de vacío (...que tanto me costó entender cuando las tuve que estudiar en la escuela de Especialistas del EA).

El NASARR era el ojo que todo lo ve del F-104G. Fue desarrollado en 1957 y fue licenciado a cuatro compañías europeas para su producción fuera de los USA. Autonetics recibió contratos por valor de 44 millones de dólares de la época por estas licencias de producción de piezas y componentes.Cada radar NASARR pesaba unos 150 kg y estaba valorado en unos 100.000 dólares. Las capacidades operativas y los modos de operación del NASARR  fueron especificados a finales de 1959, siendo el primer requerimiento inicial la capacidad de seguimiento del terreno y control de ataque para bombardeo de blancos. La capacidad de ataque aire-aire se añadió un poco más adelante.

El radar monopulso NASARR F-15A

Un momento Manolo... ¿Si no sé bien cómo funciona un radar, cómo voy a entender lo que es un radar monopulso? No problem... para saber más sobre los principios del radar te invito a leer el post dedicado precisamente a eso aquí:
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/02/el-radar-meteorologico-en-los-aviones.html

El NASARR era un radar que operaba en la banda X del espectro electromagnético y lanzaba (a la velocidad de la luz, que es la velocidad a la que van las ondas de radio) pulsos de esta naturaleza. Este tipo de radar tenían más resolución que los antiguos sistemas dotados de antenas parabólicas mayores y era menos propenso a sufrir contramedidas electrónicas "Jamming". En la ilustración que acompaña el texto se puede ver la antena o parábola, la guía de onda  y la circuitería de uno de estos radares. El conjunto estaba estabilizado y encerrado dentro del morro del avión que estaba recubierto por el cono de fibra de vidrio muy puntiagudo (al límite de lo técnicamente posible sin perturbar la señal del radar) y que además era capaz de soportar impactos de granizo, lluvia y hielo incluso a más de 1.400 millas por hora. El equipo era tan potente que generaba 4.000 Watios en forma de calor. Al usarlo en pruebas de tierra se tenía que utilizar un equipo especial para refrigerarlo.

Los radares monopulso a diferencia de los más antiguos de barrido cónico, dividían el haz iluminador en dos. Estas dos mitades del haz salían de la antena en dos direcciones diferentes (con muy pocos grados de diferencia). Cuando las dos señales reflejadas eran recibidas, se mandaban a la unidad de amplificación por separado, de forma que más tarde se pudieran comparar la una con la otra. Hay que tener en cuenta que todo esto ocurre en un radar muy rápido, estamos hablando de micro (10^-6) segundos o lo que es lo mismo millonésimas de segundo (osea "mu" ràpido). La comparación de ambas señales indicaba en que dirección se encontraba el mejor retorno (la señal más fuerte), y por lo tanto la dirección relativa del blanco con respecto al haz iluminador. Al realizarse esta comparación entre haces dentro de un pulso (cuestión de microsegundos), los cambios de trayectoria del blanco no tienen efecto en dicha comparación.  

File:Monopulseprinzip2.gif
Los elementos del haz se dividían en dos en la antena. Cada uno de estos elementos de la antena se posicionaban simétricamente en el plano focal de cada uno de los lados del eje principal, llamado a veces eje de iluminación o  boresight axis en inglés.  Durante la transmisión (Tx), la antena emitía radiación electromagnética representada en azul en la imagen, que era la suma de los haces amarillos. En la recepción (Rx), se podía obtener un eco desde cada uno de los dos lóbulos amarillos y de esta manera determinar la posición del blanco por cálculo diferencial. Por ello los lóbulos amarillos se denominan ΔAz, o Delta azimuth.

Para crear los dos lóbulos o haces y poder efectuar la comparación, cada uno de estos lóbulos debía de ser claramente distinguido. Para ello lo que hace el radar es dividir el pulso en dos, de forma que cada mitad se polarizaba por separado antes de abandonar la antena emisora. Esta antena tenía un elemento central que además permitía el lanzamiento de ambos pulsos en dos direcciones ligeramente desviadas del eje central. Los dos haces se solapaban en el eje central de iluminación. Una vez lanzado el pulso especialmente polarizado, se invertía la polarización, que en la práctica es como si se rotara el haz iluminador (de forma similar a como lo hacían los radares de barrido cónico). Cuando se recibía el eco, las señales se volvían a separar de nuevo, a una señal se le invertía el voltaje y luego se efectuaba la suma de ambas ( en la imagen). Si el blanco se encontraba en un lado del conjunto de haces, la suma resultante sería positiva y si estaba en el otro lado la suma sería negativa.



El NASARR no solo hacía todas estas cosas para detectar y seguir los blancos, este fabuloso radar adelantado a su tiempo también podía mapear el terreno para su evitación, algo que mucho tiempo después haría extremadamente bien el famoso Tornado. El NASARR por lo tanto era el elemento clave no solo del control de  ataque, sino que jugaba un papel central en el resto de funciones secundarias. 

En su asistencia al control de fuego, el NASARR calculaba con extremada precisión la aritmética de la famosa caza-curva, que no es otra cosa que el cálculo de tiro con la predicción de la posición del blanco en un periodo de tiempo determinado. Se trataba de calcular la posición en el espacio delante del blanco, para que cuando este pase por el se encuentre con la andanada de balas que previamente habíamos disparado... tal cual hacemos con las perdigonadas cuando cazamos aves con escopeta, simplemente apuntamos delante de su trayectoria de vuelo. Luego veremos más sobre el M61A1 Vulcan, los 20 mm Vs 30 mm y el cálculo de los impactos. Lo que el NASARR hacía de forma muy eficaz era localizar y "blocar" el blanco para efectuar todos estos cálculos tanto del cañón como del lanzamiento de misiles y bombas para el ataque al suelo. 

Con el fin de ayudar al radar en todas estas tareas, el sistema estaba dotado de sensores electro-ópticos e infrarrojos. las maniobras de ataque aire-aire con el M61A1 Vulcan de 20 mm se podían hacer tanto en persecución como en rumbo de colisión. 

En cuanto a la navegación del terreno, este radar estaba muy afinado en la consecución de adquisición, blocaje y seguimiento de blancos en tierra con evitación del terreno. El mayor problema con el que se enfrentaban los pilotos en realidad era la forma de sacarle partido a este fabuloso radar cuando se vuela en supersónico a baja cota y entre montañas. Saber leer las indicaciones de la pantalla, interpretar la simbología y manejar todos los modos con eficacia requería mucha preparación técnica, calma, habilidades de pilotaje y sobre todo entrenamiento. Todo esto debía de estar acompañado de un exhaustivo briefing pre-vuelo donde se debía de discutir los pormenores de la operación con todo detalle. En este avión ocurría algo parecido a lo que ocurre hoy en día con la Formula 1. Todos los pilotos de la parrilla son buenos, de eso no hay duda. Para estar en F1 se da por hecho que eres un buen piloto. Lo que marca la diferencia es el partido que le puedas sacar a tu bólido... y ojo, los expertos se fijan más en esto que en los que ganan carreras cuando se trata de calificar a un piloto como excelente. Aquí pasa tres cuartos de lo mismo. Un piloto de F-104 debe de tener grandes dotes para poder operarlo con eficacia y sacarle el máximo rendimiento a la aviónica.


Modo de búsqueda aire-aire 

En este modo de escaneo el radar NASARR efectúa un barrido lado a lado por delante del morro del F-104 en forma de abanico con su haz de energía electromagnética. La antena cambia la inclinación (tilt) al final de cada barrido para cubrir los sectores frontales con cierto grado de profundidad. Cuando se localiza un objetivo el piloto presiona el botón "action/reject" en su palanca de control (botón N°4 en la ilustración) para que el  sector que cubre el haz de radiación del radar se haga más estrecho enmarcando en un espacio más reducido la posición del eco generado por el blanco. En ese momento el piloto presiona de nuevo el botón  "action/reject" para blocar el blanco. A partir de ahí la pantalla de presentación cambia al modo de seguimiento que muestra la típica cruceta con el punto (el blanco) y todo ello rodeado de un anillo semicircular que indica la distancia (range). El armamento se controla automáticamente de acuerdo con lo que se haya especificado previamente en el computador de armamento, pudiendo hacer fuego el sistema automáticamente.

Comunicaciones-navegación-identificación

El grupo de comunicaciones-navegación-identificación estaba formado principalmente por el sistema Inercial LN-3 de Litton Industries, el radiofaro indicador IVB y el calculador de posición de Computing Devices of Canada. Ademas de estos sistemas, el F-104 estaba equipado con el computador de datos del Aire (ADC) de la casa AiResearch y el piloto automático MH-97G de Hoeneywell.  Todos estos dispositivos de aviónica estaban interconectados entre si y además estaban integrados con el sistema de puntería y control de fuego del sistema NASARR. Como vemos todo un logro tecnológico para la época en la que fue diseñado.



Manolo, todo esto me suena a chino... No problem:

Para saber más sobre el TACAN ver post dedicado al VOR:
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/02/el-sistema-vor.html

Como subsistemas de comunicaciones nos encontramos con la radio AN/ARC-552 en UHF de la casa Canadian Collins, la cual podría incluir hasta tres canales de reserva, el sistema de navegación militar TACAN modelo AN/ARN-52 de la casa I.T. & T y el sistema de identificación amigo/enemigo AN/APX-46 IFF de Hazeltine. Todos estos equipos fueron transferidos para que se pudieran producir en Europa como parte del programa de contraprestaciones. Nos podemos hacer una idea de como fueron los comienzos de la transferencia tecnológica en aquellos días. Las industrias electrónicas del viejo continente que trabajaban para defensa, recibieron de los americanos varios conjuntos de "cajas negras" (un total de 24 conjuntos), las cuales inspeccionaron y comprobaron en los bancos de pruebas. Un proceso altamente  laborioso pensado por los norteamericanos para no dar a conocer la documentación verdadera, que solo ellos poseían y conocían en su totalidad. Era como un "yo te lo dejo, pero no me lo rompas que soy el dueño y solo yo sé como funciona".

Algunas fotos en 360° que ayudan a darse cuenta de la aviónica de este aparato:
Radar: 


Curiosidades de algunos modelos


La grabación de datos


Debajo se puede ver una "casette" de los de toda la vida, como las que usábamos para escuchar música y grabar, pero por aquel entonces era algo muy avanzado. Esta cinta magnética se utilizaba para muchas cosas, una de ellas era recoger datos y parámetros de vuelo para su posterior análisis por parte de mantenimiento. 


El asiento lanzable

El asiento lanzable que inicialmente se montó en los F-104 se eyectaba hacia abajo... increíble pero cierto. Se llamaba C-1 y estaba fabricado por los norteamericanos (Stanley). La idea inicial era la de librar la cola alta del F-104 que podía impactar en el cuerpo del piloto matándolo si este salía hacia arriba como en las sillas convencionales. este modelo fue sustituido por el más avanzado C-2 y posteriormente por los mucho mejores asientos Martin-Baker que permitían una eyección cero-cero (cero velocidad y cero altura, esto es desde parado y dando margen suficiente para que el paracaidas se abra sin problemas).


El reconocimiento fotográfico


Parte del equipo que se le podía montar a los F-104G era un sistema óptico para el reconocimiento fotográfico. El sistema se llamaba LOROP y fue desarrollado en los años 80. Requería un cono de morro (radome) modificado con las correspondientes aperturas para la óptica. Este cono era intercambiable con el estándar.



Sobre el cañón Vulcan M61A1


Hoy en día ningún avión de caza que se precie puede llamarse así si no monta un cañón como es debido. Esta es una de las consecuencias y lección bien aprendida de la guerra de Vietnam (el regreso al interior del caza del cañón). 

 El M61 Vulcan es un cañón rotativo, tipo Gatling, de seis cañones de calibre 20 mm con una cadencia de tiro muy elevada. Es accionado neumática o hidráulicamente, disparado eléctricamente y refrigerado por aire. El M61 y sus derivados han sido el principal armamento de cañones de los aviones militares estadounidenses durante las últimas cinco décadas. Originalmente fue fabricado por General Electric, y tras varias fusiones y adquisiciones, actualmente es producido por General Dynamics. Este arma puede disparar hasta 6.000 proyectiles de calibre 20 mm por minuto ...o lo que es lo mismo, la barbaridad de 100 proyectiles por segundo, que pueden ser combinaciones de munición incendiaria, perforante, trazadaora, etc. Esto es una auténtica barbaridad en cuanto a potencia de fuego se refiere..

Mucha gente me dice que si esto no es una ametralladora. ¿Por qué le llaman cañón? La respuesta viene con los milímetros, no con la cadencia de tiro. A partir de los 20 mm (incluidos) se les llama cañón, de ahí para abajo son ametralladoras. Otra gran controversia viene de la mano del milimetraje y de la cadencia de tiro precisamente. ¿Qué es mejor, más cadencia de tiro con pocos milímetros o menos cadencia con proyectiles "gordos"? Por lo general los cañones de los cazas suelen oscilar entre los 20 mm del Vulcan, los 25 mm del cañón del F-35, los 27 mm del Mauser y los 30 mm o treinta y tantos de algunos modelos rusos. Los norteamericanos que de esto saben un rato (más que nada porque se han visto envueltos en casi todos los "fregaos"), casi siempre se han decantado por el 20 mm para los cazas y han dejado los 30 mm (de uranio empobrecido) para salvajadas destroza carros del tipo que monta el A-10 para apoyo y ataque a tierra. Con una cadencia de tiro como la del Vulcan con asistencia hidráulica se consigue una especie de "perdigonada" o nube de proyectiles que tienen una alta probabilidad de hacer impacto en la peor situación posible que es la que se muestra a continuación.




La peor situación posible es cuando un caza supersónico se cruza a 90° por delante del nuestro a unos 500 nudos de velocidad. En estas condiciones si le metemos un impacto con un 30 mm seguramente lo destrozamos, pero la cadencia de tiro de estos cañones no es tan alta como las de los Vulcan con 20 mm. Si se hacen los cálculos matemáticos de lo que ellos llaman el Kill Probability Ratio, sale más a cuenta poder tener una probabilidad de cuatro impactos de 20 mm en la célula de un caza, que una probabilidad menor con los 30 mm. En el F-104 se optó precisamente por esta posibilidad después del estudio de las maniobras y de las características de los aviones soviéticos de aquella época.

Otra de las cosas que había que tener en cuenta para un derribo (Kill) era la de prever cual iba a ser la posición del avión blanco cuando se hacía una persecución en pleno dog-fight. Para ello precisamente el NASARR que equipaba al F-104 podía calcular con mucha precisión esta anticipación que en inglés se denomina "lead" y nosotros lo llamábamos en la academia cálculo de la "caza-curva". El calculador de tiro se las arreglaba para operar con los datos físicos de peso, inercia, etc y así darnos la situación ideal de disparo por delante del caza enemigo, tal como se muestra en la ilustración inferior.



En la imagen de abajo se pueden apreciar los seis tubos del cañón Vulcan M61A1. Este tipo de cañón también equipa a los F-18 del Ejercito del aire.


No he querido extenderme mucho más en el radar NASARR por no hacer el post muy largo, pero para los interesados en el tema y para tener una explicación detallada de la operación de este magnífico radar se puede ir al link que pongo a continuación (manual solo en inglés... sorry):
 https://drive.google.com/file/d/0B88ArhBuv-vsRUhIX2pQZzZEVDA/view?usp=sharing

Para saber más sobre misiles:
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/10/hablemos-de-misiles-aa.html
http://greatbustardsflight.blogspot.ch/2015/10/fox-two-la-historia-y-las-curiosidades.html

6 comentarios:

  1. Sería muy fácil darte las gracias por esta casi monografía que nos has posteado sobre uno de mis aviones favoritos (el otro es el Harrier...) pero no puedo hacer otra cosa salvo recomendar una web http://www.grupoaerea.es/f104
    que narra de primera mano la experiencia del C-8 en el EdA.
    Gracias de todo corazón.

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    1. Hola GS2008, muchas gracias a ti por tu cariñoso comentario y por el link. Tenemos gustos parecidos, porque a mi también me parece que el Harrier es otro avión espectacular que se merece atención especial. A ver si tengo un rato y empiezo a escribir sobre él. Yo tuve la suerte de poder volar el simulador del Harrier de la Armada cuando estuve en la Base Aeronaval de Rota. Fue un vuelo espectacular en el que pude hacer una pasada rasante a solo 50 pies del mar, por debajo del antiguo puente Carranza a más de 300 nudos... Todavía se me pone el vello de punta cuando lo recuerdo!

      Un cordial saludo
      Manolo

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  2. Manolo:

    No puedo sino sumarme a los agradecimientos por la gran exposición del 104, y, desde luego, no me ha defraudado,no la parte de aviónica. Por alguna extraña razón siempre me han llamado mucho la atención los sistemas del Starfigther, casi tanto como su diseño, ese algo revolucionario que a pesar de los años transcurridos aún te sorprende.
    Una pregunta técnica a propósito del radar : en su modo cartográfico ¿como evita el clutter sin ser un sistema doppler y sin el tratamiento "informático" de la señal? Y a proposito de esto, se me ocurre otro tema para tu mano experta (por pedir que no quede): ¿que tal una breve historia de los radares aéreos embarcados? (la explicación del monopulso me ha despertado la curiosidad) ¿ y los sucesores del NASARR, las TWT, el AWG-9 y los primeros doppler AWG-10? Buf, me embaló y no paro, para ser un ignaro ;).
    Bueno, lo dicho, reiteró mi agradecimiento junto con GS2008 y a esperar pacientemente.
    Un saludo cordial.
    Pablo.

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    1. Pablo, interesantísimo tema el que propones. Muchas gracias a ti como siempre por seguirme y por tus comentarios. Se nota que dominas el tema :) Voy a ver si puedo ir poniendo algún post más técnico pero explicado de forma sencilla para ir respondiendo a tus preguntas. Empezaré como tu me dices con una breve introducción al radar aéreo embarcado. Luego intentaré meterme en aguas más profundas e intentaré explicar los conceptos básicos del radar (empezando por el effecto Doppler). Un cordial saludo.
      Manolo

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  3. Muy interesante Manolo. Me sumo a la petición de Pablo y que nos cuentes que se está cociendo hoy en día en materia de radares. Es decir, qué funcionalidades tienen hoy en día los radares más modernos.
    Un saludo
    Javier

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    1. Muchas gracias Javier, intentaré complaceros (aunque no soy ningún especialista en el tema), pero ya tendrá que ser después de estas fiestas :)

      Un cordial saludo
      Manolo

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