El radar Doppler AN/APG-65 y AN/APG-73 del F/A-18
Radar Doppler AN/APG-65
Este radar con capacidad A/A y A/G, fabricado por Hughes (hoy parte de Raytheon), fue una maravilla tecnológica para la época en la que fue concebido. Debajo se puede ver el radar con sus cinco partes fundamentales (fuente: Hughes).
Diseño y requerimientos del AN/APG-65
La fiabilidad del radar tiene mucho que ver con requisitos de la misión del avión y los del propio radar, ya que estos parámetros son los que determinan el tamaño, el peso, la poten-cia y la complejidad del sistema. El requisito principal de este radar es la superioridad aérea en cualquier condición climáticas. Esto a su vez determina el alcance de la detección y los factores de compatibilidad de los misiles guiados por el propio radar.
Esta necesidad de detección frontal a largo alcance determina en gran medida el tamaño del transmisor y los requisitos de potencia. Además, la detección en todas las direcciones y altitudes determina la selección y complejidad de la forma de onda. Estos factores llevaron a la selección de un diseño de transmisor (TX) específico con un PRF (pulse repetition frequency) alto/medio para el F/A-18.
El alcance para la detección también está influenciado en gran medida por el diámetro de la antena y las características de los lóbulos laterales. En el caso del radar del F/A-18, los requisitos de misión y el diseño de la aeronave dieron lugar a un tamaño de antena (diámetro de la antena en pulgadas) suficientemente pequeño como para no requerir accionamiento hidráulico. El sistema articulado cardán de la antena se pudo mover con un sistema servo-eléctrico directo mucho más fiable.
Otra área clave para determinar el alcance es la sensibilidad del receptor. Históricamente, era un requisito que el radar tuviera un valor de ruido bajo. Para ello, el receptor debía contar con un amplificador paramétrico (PARAMP). En el caso del F/A-18, el avance tecnológico permitió satisfacer la sensibilidad requerida con un transistor de efecto de campo (FET) más fiable. La compatibilidad con el misil AIM-7F SPARROW es el otro factor importante para determinar los requisitos de potencia del transmisor. En aeronaves anteriores (F-4), esta compatibilidad se proporcionaba mediante la adición de un iluminador continuo (CW) aparte. El F-15 demostró la viabilidad de proporcionar compatibilidad con el misil SPARROW utilizando una onda Doppler con PRF alta, lo que evitaba la necesidad de un transmisor separado. Este concepto se adoptó también en el F/A-18. Los sistemas con alto PRF suelen operar con factores de servicio del 40-50% para cumplir con los requisitos de alcance de detección y guiado de misiles. El AN/APG-65 utiliza técnicas que proporcionan una capaci-dad equivalente, pero funcionan a un factor de servicio reducido (33%), lo que aumenta la fiabilidad mientras está en modo de búsqueda.
Evolución del sistema de radar
El F/A-18 y el radar APG-65 fueron diseñados desde el principio para tener capacidad multi misión. En consecuencia, el radar incorporó en su día las características de rendimiento más recientes de los aviones de combate y ataque de aquel momento, y varias características que no se habían utilizado anteriormente en otros sistemas.
En el área de ataque, el sistema incorpora muchos de los modos utilizados en los aviones que tenía la Armada por aquel entonces, como el A-7 y el A-6, y añadía muchos modos adi-cionales (como la cartografía de alta resolución) que anteriormente solo estaban disponibles en programas especiales de investigación y desarrollo. En el ámbito de los combates aéreos, el radar APG-65 incorporaba las características principales del radar del F-4J al que reemplazaba. El APG-65 tiene un modo de seguimiento mientras escanea (TWS) que se in-corporó por primera vez en el F-14, incluye la forma de onda de frecuencia de pulso media desarrollada en el F-15 para tener capacidad en todas las direcciones, y agrega características adicionales como el modo de evaluación de ataques que no estaba disponible ante-riormente.
Capacidad aire-aire del radar AN/APG-65
El radar APG-65 era lo último desarrollo de radar de pulso Doppler. Un sistema que comenzó con el radar AN/AWG-10 del F-4J. El AWG-10 fue el primer sistema de combate en utilizar el pulso Doppler, lo que permitió la capacidad de observación frontal. Este sistema conservaba el modo de búsqueda de pulsos de los radares convencionales y tenía la capacidad de adquisición de referencia de tiro.
Debido a las limitaciones por las interferencias creadas con los lóbulos laterales, la capaci-dad de observación en la zona trasera del avión era limitada. El AWG-10A ya incorporaba aviónica digital y ofrecía mejoras respecto a las versiones anteriores del AWG-10. El sistema AWG-9 contaba con un transmisor de mayor potencia y una antena más grande para una capacidad de detección frontal muy mejorada.
Este sistema incluía un modo de búsqueda mientras se escanea y un modo de seguimiento mientras se escanea (TWS), que, cuando se combinaba con el sistema de misiles AIM-54, proporcionaba una capacidad de lanzamiento múltiple de misiles. Para mejorar el rendi-miento en maniobras de combate aéreo (ACM), se incorporó un modo de adquisición de exploración vertical.
El radar APG-63 se desarrolló con un procesador digital que supuso un avance en tecnología de procesamiento y permitió mandar ondas de frecuencia de pulso media, que por primera vez permitieron una detección real en todas las direcciones y altitudes. El APG-63 también agregó un modo de adquisición en el HUD para la adquisición automática rápida de objeti-vos dentro del campo de visión de la pantalla de visualización frontal. El radar APG-65 del F/A-18 se basa en toda esta experiencia y contiene un procesador de señal completamente programable que, junto con su capacidad de transmisión y recepción de alta, media y baja frecuencia de pulso repetitivo y su diseño de antena con creación muy reducida de lóbulos laterales y ancho de banda estrecho, permite la incorporación de las mejores características de estos sistemas. Además, la tecnología desarrollada para la cartografía del terreno con haz Doppler muy definida se ha aprovechado para proporcionar una capacidad única de evaluación de ataques aire-aire contra objetivos que se encuentran muy cercanos entre ellos.
Algunas de las características clave del modo aire-aire del radar APG-65 incluyen detección de objetivos en todas las direcciones en presencia de interferencias, seguimiento de múltiples objetivos con información de lanzamiento y dirección mostrada para el objetivo de mayor prioridad. Un modo de evaluación de incursión ayuda a determinar si se está siguiendo un grupo de múltiples objetivos, y las avanzadas características ECCM permiten operar contra ECM. En una situación de combate cercano, las tres maneras de adquisición permiten un rápido bloqueo del objetivo en el radar. Toda esta capacidad puede ser controlada fácilmente utilizando los controles HOTAS (Hands on Throttle and Stick) y las pantallas multifunción (DDI).
modos aire-tierra del radar
Existe una gran cantidad de modos aire-tierra en el radar Hornet. La combinación de opera-ción coherente en frecuencia y procesamiento digital programable en tiempo real permite el un haz Doppler muy nítido en azimut. Esta característica permite al radar tener anchos de haz efectivos variables. El procesamiento de señal digital permite un modo de evitación del terreno muy preciso que incluye el cálculo instantáneo de la distancia al terreno.
El sistema también cuenta con un modo de escaneo en superficie marítima con umbral adaptativo para mejorar la capacidad de detección de barcos en superficie como los de la clase Komar y Kynda. Las técnicas de frecuencia coherente también han hecho posible con-tar con un modo GMTI/GMTT con excelente visibilidad gracias al subclutter, medición de distancia aire-tierra más precisa y mediciones también extremadamente precisa de la velocidad de la aeronave para facilitar la navegación y entrega de armas. Las velocidades de la aeronave en el modo de actualización de velocidad se miden con una precisión de un pie por segundo, lo que permite incluso la alineación en vuelo del Sistema de Navegación Iner-cial (INS) y las actualizaciones del INS para reducir los errores de navegación.
Descripción del sistema de radar AN/APG-65
El radar APG-65 incorpora tecnología avanzada para combinar grandes características en un sistema de sólo 5 elementos o unidades reemplazables en línea (WRA). Esta reducción en el número de unidades en comparación con el F-14 (AWG-9) con 19 WRA y el F-16 (APG-63) con 9 WRA facilita el mantenimiento y mejora la capacidad de aislamiento y detección de fallos. Las cinco WRAs son:
- Antena de matriz plana: con poca creación de lóbulos laterales. Una antena con acciona-miento eléctrico directo. Todos los componentes electrónicos se encuentran en un armazón o SRA fácilmente extraíble, lo que no requiere el desmontaje de la antena en la mayoría de los fallos. Las antenas se pueden quitar y reemplazar sin necesidad de armonización, lo que reduce el tiempo de mantenimiento.
- Receptor/Rxciter (RX): esta unidad combina el receptor de radar, el excitador de radar y todas las funciones de conversión analógica a digital en una sola unidad.
- Transmisor (TX): el transmisor del APG-65 es un diseño refrigerado por líquido que tiene una guía de ondas o TWT (Traveling Wave Tube) enrejada capaz de enviar formas de onda con PRF baja, media y alta, a la vez que se ilumina el misil.
- Procesador de Datos del Radar: Este es un ordenador de propósito general que contiene una capacidad de memoria de 256 palabras de 16 bits (4 megabits) en una memoria de disco. Este disco proporciona el almacenamiento de programas tanto para el procesador de datos de 32K como para las memorias de modos de operación del procesador de señal de 192K. Esta unidad también contiene el suministro de energía de baja tensión del radar.
- Procesador de Señales del Radar: Este es un procesador completamente programable de propósito especial que opera a una velocidad de 7,2 MHz para realizar operaciones complejas. Tiene una memoria de modos de operación de 192K palabras y contiene un procesador de propósito general separado que permite operaciones paralelas.
Instalación
El radar APG-65 está instalado en una configuración de bastidor aislado de vibración para proteger el sistema de radar de la vibración creada por el sistema qun de 20 mm. Debido a este diseño de aislamiento, el radar permanece en un nivel de vibración relativamente benigno incluso durante las operaciones de disparos. Este diseño de bastidor también permite un fácil mantenimiento. El radomo gira hacia un lado y todo el paquete de radar se puede enrollar hacia adelante, lo que permite el acceso a todos los WRA desde un lado de la aeronave. El bastidor también contiene un gas de pistola inherente y un escudo EMI para prote-ger los radares WRA de los factores ambientales asociados. Los servicios eléctricos y de refrigeración se proporcionan a través de un conjunto de pantógrafo que permite el funciona-miento del radar con la cremallera de morro en posición extendida.
El sistema de radar consta de 5 conjuntos reemplazables (WRA) y un bastidor de aislamiento. El transmisor se enfría con líquido y las otras cuatro unidades se enfrían con aire forzado. El procesador de señales de radar programable contiene el mayor número de piezas y la mayor disipación de calor y, en consecuencia, tiene la asignación de MTBF más baja.
En la imagen se puede ver el radomo del F-18 que rota gracias a un abisagra para dejar a la vista el radar. Un operario puede cambiar en la misma línea de vuelo cualquiera de los cinco componentes. También se aprecia en la foto la guía de ondas que discurre detrás de la an-tena.
EL AN/APG-65 de 23,2 pulgadas es prácticamente idéntico al que montan los Harrier de la Armada. En su última versión (AN/APG-73), el radar hace del F-18 un avión todo - tiempo, capaz de utilizar el misil aire/aire AMRAAM AIM-120A para misiones de superioridad aérea. También puede utilizar el misil aire/superficie Maverick AGM-65E/F (láser/infrarrojo) con alcances de unas 8 millas.
El AN/APG-65 opera en banda X (8-12,5 GHz), lo cual es una ventaja porque esta banda permite antenas relativamente pequeñas. Esto es importante en los aviones de combate, ya que el espacio es muy limitado. Este radar es capaz de emitir una repetición de pulsos (PRF) media - alta. Más de 100.000 pulsos cada segundo es considerado un valor alto de PRF, me-nos de 1.000 es considerado bajo PRF. El radar está fabricado por Hughes Aircraft Company. Pesa unos 154 Kg y ocupa unos 0,127 m3 y la antena mide 28 pulgadas. Contiene sólo la mitad de las piezas que el radar AWG-9 del F-14 Tomcat, y unas 8.000 piezas menos que el ra-dar APG-63 del F-4 Phantom II.
Este radar se originó a partir de unos requisitos muy estrictos de la US Navy para equipar los F/A-18, que demandaban un sensor con buena capacidad aire/aire, aire/tierra y navega-ción. Uno de los requisitos principales era la capacidad de entablar combate BVR mediante misiles de medio alcance AIM-7 Sparrow. Debía ser, además, lo suficientemente compacto como para ser instalado en cazas de tamaño reducido, y lo suficientemente automatizado para ser operado por un solo tripulante. Otros requisitos establecían estrictos márgenes de fiabilidad (106 MTBF) a la vez que un mantenimiento muy sencillo.
Al ser un radar de tipo "Doppler" (que mide los cambios de frecuencia entre los pulsos emitidos y los recibidos), tiene plena capacidad "Look-Down/Shoot-Down", lo cual le permite detectar, enganchar y atacar aviones que vuelan a muy baja cota. No obstante, la misma técnica que le permite detectar estos blancos, imposibilita al APG-65 localizar los aviones que vuelan con una trayectoria perpendicular y a una altura inferior. Cabe mencionar que este es un problema que acecha a la mayoría de los radares modernos tipo "Doppler" y no sólo al APG-65.
Uno de los grandes adelantos del radar APG-65 es su procesador de señales programable, que permite rápidos cambios en la frecuencia de repetición (PRF), lo cual se traduce en una gran flexibilidad a la hora de detectar varios blancos con distintas velocidades. Este proce-sador introduce, además, la posibilidad de implantar modificaciones mediante software. Los principales modos de búsqueda del AN/APG-65 son los siguientes:
- El modo RWS es muy habitual en pleno vuelo para el modo A/A. Este modo nos per-mite la búsqueda de contactos mientras nos da información de azimut y distancia de los blancos que va encontrando.
- SST es el modo de seguimiento a un solo contacto con información continua de azi-mut, distancia, altura, velocidad de acercamiento y rumbo.
- TWS es el modo de búsqueda de varios contactos a la vez con información similar a SST. Puede seguir varios blancos y presentar los más importantes.
- VS es el modo de búsqueda que presenta los contactos en una escala de velocidad de acercamiento sin tener en cuenta su distancia.
- Además de estos modos, el AN/APG-65 dispone de varios modos automáticos. Debajo se muestra el modo de adquisición vertical. Búsqueda vertical centrada en el eje del avión con gran ángulo de elevación.
Además de estos modos, el AN/APG-65 dispone de varios modos automáticos. Debajo se muestra el modo de adquisición vertical. Búsqueda vertical centrada en el eje del avión con gran ángulo de elevación.
Modo Wide: búsqueda en el plano horizontal centrada en el eje paralelo al suelo y desde el morro del avión.
Modo Boresight: un modo de búsqueda centrado en el cono del morro del avión.
En el modo aire – tierra (A/G) el radar tiene los siguientes modos:
- MAP – presentación digital del eco del terreno.
- SEA – Búsqueda de barcos sobre el agua.
- GMT – Seguimiento de blancos móviles.
- TA – Terrain Avoidance. Dibuja una silueta vertical del terreno que permite evitar los obstáculos presentes.
El AN/APG-73
Es la siguiente generación. Este radar tiene mayor rendimiento. Mayor capacidad de memoria y mejor fiabilidad. El radar reprogramable AN/APG-73 responde a nuevas amenazas y acomoda futuros modos y armas a través de cambios de software en lugar de retroadaptación de hardware.
El nuevo radar que monta el F/A-18 mejora la adquisición de blancos. En la imagen se ve un radar de control de fuego APG-73 instalado en un Hornet F/A-18. El radomo se abre lateralmente a la derecha y el radar se desliza hacia adelante sobre rieles para permitir el acceso a todo el sistema – imagen de raytheon.com
El APG-73 es un radar de búsqueda y seguimiento todo tiempo, coherente, multimodo y de múltiples ondas que utiliza procesadores digitales programables para proporcionar las ca-racterísticas y la flexibilidad necesarias para las misiones aire-aire y aire-superficie. Es una actualización del APG-65 que proporciona mayores rendimientos, mayor capacidad de memoria, mayor fiabilidad y un mantenimiento más fácil sin aumentos asociados en tamaño o peso.
Incorpora un subsistema de detección de movimiento con software de reconocimiento, un módulo generador de forma de onda de estiramiento y un módulo especial de instrumentación y reconocimiento de equipos de prueba. Con estas mejoras del hardware, el F/A-18 tiene la capacidad de hacer mapas del terreno a alta resolución comparables con los sistemas del F-15E y el U-2, y gracias a este sistema puede realizar misiones de ataque de preci-sión utilizando imágenes avanzadas y algoritmos de correlación. El APG-73 está operativo en la Marina de los EE. UU. en el F/A-18 C, D, E y F; Cuerpo de Marines y en los F/A-18 A+, C y D; y en las fuerzas aéreas de Finlandia, Suiza, Malasia, Australia y Canadá.
Generalidades del manejo del radar A/A en el F/A-18
El radar es uno de los sistemas más complejos del avión y uno de los que lleva más tiempo aprender a un piloto.
Aquí se muestra un ejemplo de visualización del radar en ataque aire-aire. La pantalla del radar se visualiza normalmente como la que se muestra a continuación. Es una representación denominada B-Scope. Esto es, una vista de arriba de lo que el piloto tiene enfrente.
En la imagen se ven dos contactos y el TDC (controlador de designación) que se maneja con una seta en la em-puñadura del mando de gases derecho. Al poner el TDC encima de uno de los contactos, el piloto puede ver información sobre estos.
El piloto no necesita quitar las manos de los controles. Gracias al concepto HOTAS, el piloto puede volar el avión y al mismo tiempo seleccionar pantallas y objetivos.
La altura a la que el avión vuela puede determinar la cantidad de objetivos que seamos capaces de detectar. Si tenemos el haz de la antena estabilizado en línea con el eje longitudinal de nuestro avión puede ocurrir lo que se muestra en la figura que sigue.
- En 1 el avión vuela a media cota y solo detecta un objetivo.
- En 2 un avión a alta cota no detecta nada y uno a baja cota solo un obetivo.
- En 3 vemos que un avión a media cota podría detectar cualquier objetivo si variamos la elevación de la antena para redirigir el haz.
El manejo del haz de energía electromagnética se puede controlar desde la empuñadura de gases. El control de la elevación de la antena y el TDC es crucial para poder escanear el espacio aéreo. Debajo se muestran varios ejemplos con dos objetivos que se encuentran delante de nosotros. Si la elevación de la antena no es correcta podemos perder alguno de ellos. El símbolo de la elevación de la antena se puede visualizar en la pantalla. Aparece como un indicador "<" en la parte izquierda.
El haz de radiación que se ha representado con un cono en color amarillo tiene una amplitud determinada, pero podemos hacer que nuestro avión escanee más espacio activando más barras. Las barras son la cantidad de barridos por arriba y por debajo de la amplitud estándar del cono. Son, por así decirlo patrones de escaneado. Debajo se muestra un escaneado de 6 barras a 40 millas. El patrón va de izquierda a derecha y en cada barrido baja de nivel para volver a empezar una vez finalizadas todas las barras.
El escaneado del espacio aéreo es pues, una combinación de la amplitud del haz gracias al uso de más o menos barras y a la distancia a la que situemos el TDC junto con la elevación de la antena. Cuantas más barras pongamos, el escaneado llevará más tiempo. El haz elec-tromagnético que lanza la antena debe ir de un lado a otro en azimut. Esto es algo que también podemos controlar. Cuantas menos barras y menos azimut menos zona del espacio podremos cubrir, pero más rápido es el escaneado. Esto es algo importante una vez que ya hemos hecho la detección del blanco y queremos que el radar actualice la posición de este constantemente.
El radar del Hornet tiene un alcance de 160 millas náuticas, un arco horizontal de 140 gra-dos y un arco vertical variable personalizable. Se puede controlar el patrón de escaneo del radar (barras), lo que amplia o reduce el área de escaneo. Los números junto al TDC corres-ponden a las altitudes (en miles de pies) de la parte superior e inferior del haz del radar a la distancia del designador de objetivo. A medida que se mueve el designador del objetivo más y más cerca, se puede apreciar que los números cambian. La aplicación práctica es que el radar no detectará objetivos por encima o por debajo de estas altitudes, por lo que se debe jugar con la elevación de la antena del radar hacia arriba y hacia abajo para realizar una búsqueda completa.
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