Conceptos básicos sobre misiles BVR

En el artículo dedicado al Sidewinder vimos la terminología en clave "Fox". La forma abreviada que utilizan los pilotos de aviones militares pertenecientes a la OTAN para referirse (y advertir a otros pilotos) del lanzamiento de un misil aire-aire. El número describe el tipo de guiado del misil.

Fox One - Indica lanzamiento de un misil guiado por un radar semi-activo (por ejemplo, el AIM-7 Sparrow).

Fox Two - Indica lanzamiento de un misil guiado por un radar infrarrojo (por ejemplo, el AIM-9 Sidewinder).

Fox Three - Indica lanzamiento de un misil guiado por un radar activo (por ejemplo, el AIM-120 AMRAAM).

En la ilustración que se puede ver a continuación se muestran los tres tipos más comunes en la terminología "FOX":

Los Fox 2 son misiles de corto alcance. Los Fox 1 y Fox 3 son misiles de largo alcance llamados BVR (Beyond Visual Range). Los Fox 1 más conocidos son quizás los Sparrow de medio alcance (unos 70 km en el AIM-7P con un coste unitario de 165 000 dólares) y los Fox 3 típicos son los AIM-120 AMRAAM con un alcance de entre 75 y 120 km y un coste unitario de 386 000 dólares. Los misiles aire-aire de largo alcance más recordados por los entusiastas son los famosos AIM-54 Phoenix que eran lanzados por el F-14. Los Phoenix tenían un alcance de unos 200 km. El magnífico radar del Tomcat podía rastrear 24 objetivos en el modo track-while-scan (‘rastreo mientras se escanea’), pudiendo el radar AWG-9 seleccionar hasta 6 objetivos (los más peligrosos) y lanzar los misiles automáticamente.

El Phoenix tenía varios modos de guiado y conseguía su mayor alcance recibiendo actualizaciones en pleno vuelo del radar AWG-9 a la vez que ascendía a la altitud de crucero (entre 24.000 y 30.000 metros) a cerca de Mach 5. El Phoenix utilizaba esta altitud para ganar energía potencial, que luego convierte en energía cinética a la vez que descendía hacia su objetivo. Es lo que se conoce como "lofting" que luego veremos. A unas 11 millas del objetivo el misil activaba su propio radar para tener una guía terminal. La distancia mínima para su utilización era de 2 millas náuticas, iniciándose el bloqueo activo en el momento de su lanzamiento.

El nuevo misil europeo es el Meteor. Un misil aire-aire de largo alcance (unos 150 km) guiado por radar activo. Equipa los cazas Eurofighter Typhoon del Ejército del Aire de España y de un gran número de países de la OTAN. El Meteor ofrece una capacidad de disparos múltiples contra objetivos maniobrando a larga distancia en un entorno con fuertes contramedidas electrónicas. De acuerdo con su constructor, MBDA, el Meteor tiene de tres a seis veces el rendimiento cinemático de los actuales misiles aire-aire de su categoría. La clave del sobresaliente rendimiento del Meteor es su estatorreactor, fabricado por la compañía Bayern-Chemie/Protac (BC) de Alemania.

Terminología de las performances

Vamos a ver una serie de términos que se emplean con frecuencia en las discusiones sobre el rendimiento de los misiles aire-aire:

• Zona de éxito: Es el alcance dentro del cual existe una alta probabilidad de derribo (definida) contra un objetivo que no sabe que le han lanzado un misil hasta el momento final. Cuando recibe una alerta visual o mediante un sistema de advertencia, el objetivo intenta una secuencia de maniobra de última hora.

• F-pole: Un término estrechamente relacionado con el anterior. Es la distancia oblicua entre el avión que lanza y el objetivo, en el momento de la intercepción. Cuanto mayor sea el F-Pole, mayor será la confianza de que el avión lanzador logrará acertar con ese misil. 

• A-Pole: Es la distancia oblicua entre el avión lanzador y el objetivo en el momento en que el misil comienza a guiarse activamente o adquiere el objetivo con el buscador activo del misil. Cuanto mayor sea el A-Pole significa que el avión lanzador necesita menos tiempo y posiblemente distancia para apoyar la guía del misil hasta la adquisición de este. 

• Zona de no escape: Es la zona dentro de la cual existe una probabilidad alta (definida) de derribo contra un objetivo, incluso si ha sido alertado. Esta zona se define como una forma cónica con la punta en el lanzamiento del misil. La longitud y el ancho del cono están determinados por el misil y el rendimiento del buscador. La velocidad, el alcance y la sensibilidad del buscador de un misil determinarán principalmente la longitud de este cono imaginario, mientras que su agilidad (velocidad de giro) y la complejidad del buscador (velocidad de detección y capacidad para detectar objetivos fuera del eje) determinarán el ancho del cono.

Probabilidad de derribo

La probabilidad de derribo está determinada por varios factores, incluido el aspecto (intercepción frontal, persecución lateral o por la cola), la altitud, la velocidad del misil y el objetivo, y también el grado de maniobrabilidad del objetivo. Por lo general, si el misil tiene suficiente energía durante la fase terminal, en un lanzamiento a corta distancia desde un avión con ventaja en altitud y velocidad, tendrá buenas posibilidades de éxito. Esta posibilidad disminuye a medida que el misil se dispara a distancias más largas, ya que se va quedando sin velocidad como veremos luego. Y si el objetivo puede obligar al misil a virar, este podría también perder velocidad suficiente como para que ya no pueda perseguir al objetivo. Los misiles BVR nunca se disparan al alcance máximo debido a la escasa probabilidad de derribo.

 

El comportamiento de un misil BVR

Las performances del misil dependen de algunas variables que vamos a ver a continuación. Estas variables nos dan pistas sobre cómo utilizar mejor este tipo de armas. En general, se suele decir que el éxito en un lanzamiento depende del momento del disparo, la altitud, las condiciones atmosféricas, las contramedidas, el tiempo de reacción, la maniobrabilidad y ...la suerte.

En BVR, los Fox 1 y Fox 3 son misiles guiados principalmente por radar (algunos modelos además del radar llevan otros tipos de guiado inercial o satelital). Fox 1 son misiles guiados de forma semiactiva, 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.  

El Fox 3 es un "fire and forget". La diferencia con el Fox 1 es que para guiar un Fox 1 nuestro radar (el radar de nuestro avión) tiene que estar todo el tiempo iluminando al enemigo al que queremos derribar durante todo el trayecto del misil para que este pueda seguir el blanco. Por su parte, en el lanzamiento de un Fox 3, al inicio iluminamos al avión enemigo con nuestro radar y le transmitimos esos datos al misil para que este vaya en la dirección que nuestro radar "ve" al enemigo. En un momento dado, el Fox 3 adquiere lo que se denomina modo pitbull. Básicamente significa que deja de confiar en nuestra información y activa su propio radar (más pequeño) con el que bloquea al objetivo para seguirlo de forma autónoma. A partir de ahí nuestro avión puede hacer lo que quiera. Podemos virar y alejarnos, porque el misil va a seguir guiándose de forma autónoma hacia el blanco.

Variables a tener en cuenta en el disparo

1.- Impulso

La mayoría de misiles BVR no alcanzan su blanco con el motor encendido. Aunque hay excepciones (los estatorreactores), la mayoría de misiles realizan casi todo el trayecto hacia el blanco planeando sin motor. Este tipo de misiles, cuenta con un motor muy potente que se enciende en el momento del disparo para acelerar. El misil quema combustible para alcanzar una gran velocidad, que se adquiere muy rápido, a los pocos segundos del lanzamiento. Después de unos pocos segundos más, al misil se le acaba el combustible y el resto del viaje se hace planeando.

En la gráfica observamos que la velocidad del misil (línea azul), tiene una aceleración muy rápida al inicio. Una vez alcanzada la máxima velocidad, esta empieza descender mientras el misil planea hacia el objetivo. ¿Qué quiere decir esto? Que cuanto más cerca esté nuestro enemigo más velocidad tendrá nuestro misil en el momento de alcanzarlo. Cuanto más lejos esté el enemigo más lento será el misil cuando lo alcance. Menor velocidad significa menor energía para poder ser empleada en las maniobras del misil y el enemigo dispondrá de un mejor margen de evasión. 

2.- El efecto de un disparo en altura

El misil tiene un almacén de energía que se acaba agotando. Esa energía al inicio es muy alta, porque el misil tiene mucha velocidad. Eso le permite maniobrar y ser más letal. A medida que va perdiendo velocidad ese almacenamiento de energía se va consumiendo. Al final con poca energía (poca velocidad) es mucho más sencillo esquivar el misil. Por ello, la letalidad de un misil no es la misma cuando se dispara a 5 millas que haciéndolo a 40 o 50 millas. La energía del misil también depende de la altitud a la que se dispara. A gran altitud la densidad del aire es menor y también la resistencia. Disparar un misil a gran altitud significa que este podrá acelerar a una velocidad mayor. 

Al igual que ocurre con los aviones, cuanto más alto se vuela es más difícil de maniobrar debido a la poca densidad del aire. Las aletas o superficies de control del misil no son tan efectivas como a baja cota, pero la menor capacidad de maniobra no es un gran problema para el misil que acorta camino, aunque el blanco maniobre. La ganancia de energía en un disparo a gran altura es mucho más ventajosa que un vuelo a baja altura.

Cuanto más alto volemos menor será la densidad del aire y mayor velocidad real (TAS), tanto del avión lanzador como del misil. Esto se traduce en un mayor alcance para objetivos lejanos o una mayor velocidad en objetivos cercanos. En el gráfico se compara un misil lanzado a baja cota (azul) con otro lanzado a alta cota (rojo). De dos misiles que llegan al mismo punto en distancia, el misil que vaya más rápido será más mucho más difícil de esquivar y por lo tanto, más letal.

3.- Velocidad del avión lanzador y vuelo supersónico

El mismo gráfico que acabamos de ver nos sirve también para comprender que un avión que vuela rápido imprime más energía al misil en el momento de lanzarlo. Si nuestro avión vuela a 280 nudos el misil debe acelerar hasta un alto número de Mach. El R-37M es el misil aire-aire conocido más rápido del mundo con una velocidad Mach 6, pero se suele hablar de Mach 4 o 5. Si el mismo misil lo lanzamos a 450 nudos, habremos transferido una gran energía al misil que tardará menos en acelerar hasta su número de Mach. 

Precisamente, parte de la energía que se gasta en el vuelo del misil se utiliza para poder pasar del vuelo subsónico al vuelo supersónico. En el gráfico que se puede ver a continuación, se aprecia que existe un incremento considerable de resistencia justo antes de alcanzar el Mach 1. Una vez sobrepasado la resistencia baja mucho. Este pico es lo que se denomina "transonic drag rise". La resistencia al avance es creada por la formación de ondas de choque en varias partes del misil, de ahí viene precisamente el nombre "resistencia de onda". Estas ondas de choque empiezan a formarse alrededor del Mach 0,8 y, como se puede ver en el gráfico, incrementan la resistencia hasta el Mach 1.

Si nuestro avión ya vuela a la velocidad del sonido, el misil se ahorrará el gasto energético que se emplea en cruzar ese pico que se ve en el gráfico. El motor cohete de nuestro misil conservará entonces mucha energía para llegar más lejos y más rápido. La velocidad del sonido local (LSS) es función de la temperatura y esta disminuye con la altura. La fórmula es conocida por la mayoría de pilotos:

Donde Tk es la temperatura en grados Kelvin y 38.94 es una constante para que el resultado sea nudos (Kts). Así, por ejemplo, si queremos saber cuál es la velocidad del sonido a nivel del mar en condiciones estándar (15°C), basta con calcular la raíz cuadrada de (273 + 15) y multiplicarla por 38.94. El resultado son 660.83 nudos. El número de Mach se calcula así:

Donde TAS es la velocidad verdadera del misil. 

Por lo tanto, un avión que vuela a 300 nudos a una altura de 25.000 pies tiene un número de Mach de 0.50 Si el mismo avión vuela a 450 nudos a 40.000 pies el Mach aumenta hasta 0.78 Si lanzamos a 573 nudos a esa misma altitud habremos llegado al Mach 1.0 evitando que nuestro misil tenga que gastar energía en el vuelo transónico. Esta es una de las razones por la que algunos cazas modernos como el F-22 o el Eurofighter se diseñan con capacidad "supercrucero", la posibilidad de volar a más de Mach 1.0 sin necesidad de la postcombustión.

4.- Acercamiento o distanciamiento y posición del blanco

En la imagen se muestra la diferencia en la distancia recorrida por un misil contra un blanco que se aleja o con un blanco que se acerca. El misil que se lanza a un blanco que se aleja tendrá menos probabilidades de éxito ya que cuando el misil llega a la posición en la que esperaba encontrar al objetivo, este ya no estará allí. Al final el misil acabaría dando caza al objetivo, pero su velocidad habrá descendido notablemente y el avión perseguido podría maniobrar para intentar zafarse. Por su parte, un avión que maniobra haciendo lo que se conoce como flanking induce al misil a seguir el blanco con una trayectoria curva. En estas condiciones el misil debe maniobrar y en cada maniobra pierde energía.

Compárese, en la ilustración de debajo, estos hipotéticos casos, (cara a cara y en persecución), 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.

El lofting para ganar alcance

Los misiles con gran alcance pueden lograr derribos a larga distancia utilizando una trayectoria parabólica llamada lofting. Se puede ver en muchos vídeos como el misil asciende justo después de ser lanzado. El AIM-54 Phoenix es un buen ejemplo, aunque otros misiles como AIM-120 y R-37, entre otros pueden hacer lo mismo. Después de encender su motor de cohete, el misil iniciará un ascenso para llegar a la atmósfera más delgada y alcanzar velocidades con alto número de Mach. Con ello se maximiza el tiempo de vuelo durante la fase de planeo a mitad de camino, lo que le permite alcanzar objetivos muy lejanos en condiciones óptimas (190 km de distancia en el caso del AIM-54 PHOENIX, línea roja en el gráfico de debajo).

¿Cómo se muestra un blanco al piloto y al misil?

A modo ilustrativo, aquí solo veremos información muy básica y simplificada. Existe una compleja simbología relativa a la detección con radar que no podemos cubrir en este artículo. Debajo se puede ver la representación de una pantalla DDI (Digital Display Indicator) de un F/A-18C con el radar en funcionamiento y un misil AIM-7 en modo seguro. 

Los contactos del radar aparecen en estas pantallas inicialmente como unos pequeños bloques. El piloto ve en la pantalla una representación desde arriba de los objetivos con respecto a la posición del morro de su avión. El piloto también puede saber con su radar la velocidad y rumbo del contacto. 

Arriba se muestra la información que maneja el piloto en sus DDI o pantallas. Lo que ve el piloto es una representación cenital (perpendicular al suelo) de la situación de los objetivos en relación al eje longitudinal de su avión. El radar tiene diferentes aperturas o barridos con varios modos de escaneado del espacio.

¿Cómo se transmite esta información al misil y qué hace este?

El radar del avión también manda esta información al misil. El radar del misil es muy pequeño comparado con el del avión. La cabeza buscadora puede saber la posición inicial del blanco gracias a la información que le envía el radar del avión. En la imagen que se ve aquí al lado esto está representado como el sector rojo dentro de la retícula. Es simplemente una información inicial. Es como si la cabeza buscadora del misil (su ojo) supiera hacia qué sector dirigirse una vez que es lanzado. Para esta fase de vuelo el misil se dirige con su sistema inercial. Así es, conceptualmente hablando, cómo "mira" un misil hacia adelante. No puede ver una gran cantidad de detalles, todo lo que puede hacer es ver o entender que "en ese sector rojo, un poco por debajo y a la derecha tengo un objetivo".

En enfrentamientos de largo alcance, el AIM-120 AMRAAM se dirige al objetivo utilizando su guía inercial y recibe información actualizada del objetivo a través de un enlace de datos desde el avión lanzador. Hace la transición a un modo de guiado autónomo en fase terminal cuando el objetivo está dentro del alcance de su propio conjunto de radar monopulso, operando en modo de alta repetición de pulsos (PRF). 

Dado que este buscador usa su propio radar activo (a diferencia del Sparrow), no requiere que el avión de lanzamiento ilumine el objetivo o lo siga. En caso de que el objetivo intente protegerse utilizando interferencia activa, el buscador del AMRAAM cambia a un modo PRF medio "en caso de interferencia". Con su aviónica sofisticada, alta velocidad y excelente maniobrabilidad al final del juego, las posibilidades de escapar de un AMRAAM son mínimas. Al momento de llegar al CPC o close point of contact, una espoleta de proximidad de radar activo hace detonar la ojiva altamente explosiva de 40 libras para destruir el objetivo. En distancias más cortas, el AMRAAM se guía a sí mismo todo el camino usando su propio radar, liberando al avión lanzador para atacar otros objetivos. 

En la imagen superior se muestran las etapas del guiado de un misil FOX 3. La trayectoria se divide en dos fases: comando-inercial y guía terminal. Durante la fase de guía inercial de comando, el arma utiliza sistemas a bordo, como un sistema de navegación inercial (INS) o actualizaciones semiactivas a mitad de camino a través del radar de la aeronave lanzadora o enlace de datos (data-link), según el misil de que se trate. Durante la fase de guía terminal, el transceptor de radar del misil se activa y proporciona datos de intercepción más precisos a la computadora de vuelo. Cuando un misil BVR entra en su fase terminal, esto se denomina "pitbull" del misil.

Si el data link se pierde, el misil seguirá su camino hacia donde tenía datos en su última transmisión, es decir, hasta la última posición conocida del blanco. Más o menos donde estima que va a estar el blanco porque el misil también sabía su velocidad y calcula el movimiento de este. Puede ocurrir, que en sus estimaciones el misil llegue a una zona donde "pensaba" que iba a estar el blanco, pero este quizás haya maniobrado y no se encuentre allí. El misil con información desactualizada encenderá su radar, pero si el blanco no está ahí perderá la capacidad de seguimiento.

Este es un concepto importante si lanzamos un misil a larga distancia donde también hay varios aviones amigos. Si el misil lanzado ha perdido su objetivo, antes de ponerse en lo que se conoce como "modo pitbull", intentará localizar "algo" que se asemeje a su objetivo. Ese algo bien podría ser un avión amigo. A larga distancia, es posible que el buscador de radar del misil no tenga la resolución suficiente para elegir el objetivo correcto y, puede atacar objetivos no intencionales, incluidos aviones amigos, ya que el misil carece de capacidad IFF.

Contramedidas y evasivas

Para contrarrestar misiles guiados por radar, se usa el chaff que son fibras de vidrio forradas con una aleación de cobre y níquel o fibras de nylon forradas en plata, cortadas para tener una longitud igual a la mitad de la longitud de onda del radar a ser interferido. Se utilizan distintos paquetes que pueden ser lanzados con alguna forma de pirotecnia para crear una nube de estos dipolos detrás del avión. Estos dipolos se dispersan en la atmósfera reflejando la energía del radar. Los dipolos de un paquete a menudo se cortan a diferentes longitudes para cubrir una banda de radar entera o varias bandas de radar.

El centroide es el punto donde se considera concentrada el área total de un objeto, donde se supone está ubicado el centro geométrico del cuerpo plano y homogéneo.

El efecto Doppler y la pérdida del objetivo: el "notching"

Por parte del piloto que se ve amenazado, existen una serie de maniobras para tratar de engañar al misil perseguidor o a nuestro radar. Todas ellas se basan en la teoría del radar y el efecto Doppler. Hacer "notching" por ejemplo, es una técnica que consiste en alinear el avión perpendicular al haz del radar que está tratando de blocarnos para despistarlo. Debajo se muestran varios encuentros. En el cara a cara las ondas de nuestro radar en azul se reflejan en rojo y aunque más débiles nuestro radar las capta, pero más compactas. La frecuencia aumenta (lambda o longitud de onda disminuye) con respecto a la que enviamos al blanco. Ver dibujo.

En persecución. Cuando el avión blanco trata de escapar ocurre lo contrario. Como se aprecia en el gráfico a continuación, las ondas de radio rebotadas llegan a nuestro radar más espaciadas. La frecuencia disminuye. Esto quiere decir que el blanco se aleja, tal como ocurre con el conocido ejemplo de la ambulancia que pasa a nuestro lado con la sirena.

Si el objetivo quiere trtar de confundir a nuestro radar, efectuará un "notching", ponerse perpendicularmente al haz del radar. Ls ondas rebotadas no varían en longitud de onda (descontando la velocidad de nuestro avión) y podría parecer como las de un objeto estático y por lo tanto descartable por el radar.  

Es importante darse cuenta, que en caso de ser perseguido por un FOX 3, no se intenta hacer "notching" al radar de la aeronave. Cuando se trata de un FOX 3, lo que intentaremos es hacer "notching" al radar del misil, que puede estar en un ángulo relativo diferente al del radar del avión lanzador. Al realizar un "notching", lo que hemos hecho es simplemente meternos en una zona muerta, como la que resulta de rebotes del terreno, donde el misil tiene dificultades para seguirnos debido a nuestra baja velocidad relativa con respecto al entorno. Cuanto más rápido y a mayor altitud nos encontremos más difícil será hacer notching, ya que la zona muerta se reduce. La combinación de una maniobra "notching" con la liberación de chaff nos brinda una mayor probabilidad de engañar a un misil que de otro modo nos impactaría.