La sofisticada aviónica del F-22 (I)
Introducción: el cambio de paradigma "el dog-fight ha muerto"
En los años sesenta del siglo pasado los misiles fracasaron estrepitosamente en los combates sobre los cielos de Vietnam. Sencillamente la tecnología no estaba madura para que estos fuesen lanzados con garantías de éxito en combates más allá y dentro del rango visual. El "dog-fight" o combate cercano no era el ambiente ideal para el paradigma plataforma lanzadora + misil y los aviones de caza volviron a utilizar el cañón en multitud de enfrentamientos. Más de medio siglo después, la aviónica ha logrado por fin aquello que se ideó a finales de los cincueta. Aunque los cazas de hoy no solo conservan, sino que poseen mejores capacidades de maniobra (...además del cañón interno), podríamos decir que si el piloto llega a un enfrentamiento tipo "dog-fight" es que algo se ha hecho rematadamente mal.
Otro de los conceptos que ha evolucionado con el tiempo es el de Sistema de Armas. Un avión de combate actual puede realizar diferentes misiones y emplear multitud de armamento. Por ese motivo, los aviones son considerados sistemas o plataformas. Hoy en día la clave es la integración y optimización de esta serie de complicados sistemas para que el piloto pueda llevar a cabo la misión con garantías de éxito. Detrás del paradigma "ver primero, disparar primero", se encuentra la capacidad del F-22 de establecer una conciencia situacional superior en lo que respecta a la detección, ubicación, identificación y letalidad de objetivos.
¿Qué es la aviónica integrada?
La aviónica tiene una importancia tan grande para el éxito de un caza como la capacidad de maniobrar y volar rápido. Los problemas de diseño que se tuvieron que solucionar en el F-22 implicaban resolver desafíos técnicos y organizativos de gestión del programa. También fue crucial para el diseño la reducción de las responsabilidades de "gestión y mantenimiento" de los pilotos. El F-22 tiene el primer conjunto de aviónica integrado jamás utilizado en un avión de combate. Incluye el radar APG-77 de Northrop/Grumman-Texas Instruments, el conjunto de guerra electrónica de Lockheed Martin y los subsistemas de comunicaciones/navegación/IFF de TRW.
Los requisitos para el sistema de aviónica del F-22 se derivan del Concepto de Sistema de Armas diseñado para aviones de "quinta generación", los principios rectores de diseño para el sistema de armas en general. El sistema de aviónica integrado es uno de los elementos clave (los otros son el sigilo, la maniobrabilidad y el supercrucero) que le da al F-22 la ventaja táctica contra las amenazas actuales y del futuro.
Los requisitos del sistema de aviónica se basan en zonas de interés operativo. Estas zonas, basadas en las capacidades de las aeronaves enemigas y propias, determinan los requisitos de información para cada objeto encontrado en la misión. Los cazas actuales tienen algunas de las mismas capacidades de detección y subsistemas que deben controlarse, pero su "arquitectura federada" (es decir, cada función de aviónica tiene su propio procesador y trabaja esencialmente de forma independiente) hace que el piloto sea el integrador de datos y el administrador de todos los subsistemas de apoyo.
El concepto operativo del F-22 y la sofisticación de los diversos sistemas requiere la integración en muchos niveles, incluido el control de sensores, la fusión de datos de sensores, los componentes arquitectónicos que respaldan estas funciones y las pantallas que son el principal medio de comunicación con el piloto. Los atributos clave del sistema de aviónica están determinados por las demás características del sistema de armas, como el sigilo, el supercrucero, la fiabilidad, la disponibilidad y la necesidad de capacidad de crecimiento.
La aviónica integrada significa cosas diferentes para diferentes personas.
- Para el piloto, significa que toda la información está coordinada y disponible desde una única fuente.
- Para el ingeniero de software, significa acceso a datos compartidos sobre la situación, la misión y los sistemas de la aeronave.
- Para el diseñador de hardware, significa módulos comunes en una única placa base con la conectividad y el ancho de banda necesarios para soportar el procesamiento requerido.
La presentación y el control coherentes (la visión de la integración desde el punto de vista del piloto) no son simplemente una forma de organizar funciones o enviar muchos datos a una única pantalla. En realidad, incluyen funciones adicionales, como la evaluación de la situación y el control de fuego de las armas.
La visión de la integración desde el punto de vista del software significa que las distintas piezas funcionales del software deben tener un acceso eficiente a información globalmente coherente, como archivos de seguimiento, datos de navegación, datos de la misión e información sobre el estado del sistema de la aeronave. Una arquitectura de hardware construida sobre componentes comunes, módulos comunes, buses estándar y un sistema operativo común proporciona la infraestructura para el procesamiento y la comunicación entre los procesos descritos anteriormente. Además, el enfoque modular permite una fácil expansión de la capacidad y la capacidad, la tolerancia a fallos y la reconfiguración.
Traducir los requisitos del sistema en un diseño industrialmente producible, asequible y mantenible fue el trabajo del programa de Desarrollo de Ingeniería y Fabricación (EMD). El concepto básico, derivado del programa Pave Pillar de los años 1980 (que incluía el desarrollo de los sistemas de comunicaciones integradas, navegación e identificación aviónica (ICNIA) y del sistema de guerra electrónica integrada (INEWS)) era proporcionar todos los recursos de procesamiento de señales y datos en una colección central de procesadores modulares, conectados a los sensores, subsistemas y piloto mediante buses de datos de alta velocidad. La arquitectura del F-22 proporciona precisamente un sistema de este tipo, conectado a los sistemas críticos para la seguridad del vuelo refrigerados por aire, como el sistema de control de vuelo.
El sistema de comunicaciones/navegación/identificación (CNI) de TRW incluye un enlace de datos intravuelo, un enlace del sistema de distribución de información táctica conjunta JTIDS y un sistema de identificación amigo o enemigo (IFF). Boeing es responsable del software de la misión y de la integración de la aviónica. El avión tiene una referencia inercial de giroscopio láser Litton LTN-100G, un sistema de posicionamiento global y un sistema de aterrizaje por microondas.
El conjunto de aviónica del F-22 incluye un amplio uso de tecnología de circuitos integrados de muy alta velocidad (VHSIC), módulos comunes y buses de datos de alta velocidad. El conjunto de aviónica es un sistema altamente integrado que maximiza el rendimiento y permite al piloto concentrarse en la misión, en lugar de en la gestión de los sensores como en los cazas actuales. Las tecnologías incorporadas en el F-22 incluyen un procesador integrado común (CIP), un "cerebro" central con el rendimiento informático equivalente a dos supercomputadoras Cray; antenas compartidas de baja observación; software ADA; sistemas expertos; pantallas avanzadas de fusión de datos en la cabina; tecnología de sistema de guerra electrónica integrada (INEWS); tecnología aviónica de comunicaciones, navegación e identificación integradas (CNI) y transmisión de datos por fibra óptica. Casi todos estos elementos se demostraron durante dem/val (acrónimo de Demonstration and Validation) en una arquitectura prototipo.
Comunicaciones/Navegación/Identificación (CNI)
El "sistema" de comunicaciones/navegación/identificación (CNI) del F-22 es un conjunto de funciones de comunicación, navegación e identificación que, utilizan un CIP (Procesador Integrado Común), para los recursos de procesamiento de señales y datos. Cada función del CNI tiene su apertura asociada instalada en todo el avión.
Enlace de datos entre vuelos y dentro de ellos (IFDL)
El sistema de comunicaciones/navegación/identificación (CNI) incluye un enlace de datos entre vuelos y dentro de ellos (IFDL) que permite a todos los F-22 de un vuelo compartir datos de objetivos y sistemas de forma automática y sin llamadas por radio.
El enlace de datos entre vuelos y dentro de ellos es una de las potentes herramientas que hacen que todos los F-22 sean más capaces. Uno de los objetivos originales del F-22 era aumentar el porcentaje de pilotos de combate que consiguen "derribar" aviones. Con el IFDL, cada piloto tiene la libertad de operar de forma más autónoma porque, por ejemplo, el líder puede saber de un vistazo cuál es el estado del combustible de su compañero, qué armas le quedan e incluso qué avión enemigo ha atacado.
Los objetivos se pueden priorizar automáticamente y configurar en una lista de disparo con solo pulsar un botón. Una señal de "disparo" en la pantalla de visualización frontal alerta al piloto sobre los parámetros de derribo de armas seleccionados y él dispara las armas. El vuelo de misiles tanto del piloto como del compañero se puede monitorizr en las pantallas de la cabina. Las tácticas clásicas basadas en el "registro" visual (identificación visual) y las maniobras de formación violentas que reducen al compañero a "esperar" se replantean ya a la luz de tales capacidades. Este enlace también permite que se agreguen vuelos adicionales del F-22 a la red para un ataque coordinado de varios vuelos.
Guerra electrónica (EW)
El 'sistema' de guerra electrónica es también una colección de aperturas, electrónica y procesadores (que también utilizan el CIP) que detectan y localizan señales de otras aeronaves y controlan las contramedidas lanzables del F-22 (chaff y bengalas). Las ubicaciones de las aperturas de EW proporcionan cobertura en todos los aspectos y el sistema incluye una capacidad de detección de lanzamiento de misiles. El sistema de guerra electrónica del F-22 incluye un receptor de advertencia de radar y un detector de lanzamiento de misiles Lockheed Martin Sanders.
Sistema de gestión de cargas (SMS)
El sistema de gestión de cargas (SMS) controla las secuencias de lanzamiento de armas, incluido el control de la puerta (para el transporte interno de armas) y el lanzamiento/eyección de armas en emergencia. (Ver artículo dedicado al armamento interno).
El riel de lanzamiento del Sidewinder tiene un deflector incorporado (plume deflector), lo que significa que la parte más caliente de la columna de gases de escape (el núcleo más caliente) no llega a la bahía. El flujo de aire hacia la bahía desde el aire circundante proporciona un "cojín" de presión de aire adecuado que protege el cableado interno de posibles daños.
En el F-22 Raptor, el misil AIM-9 Sidewinder se transporta en un lanzador hidráulico LAU-141/A construido por Lockheed Martin Tactical Aircraft Systems, llamado Trapeze Launcher. La capacidad es de un solo misil en cada bahía de armas lateral. El lanzador, que utiliza algunos componentes del lanzador LAU-128/A anterior, es básicamente el riel de lanzamiento de la punta del ala de un F-16 con un mecanismo pivotante que se extiende rápidamente. El LAU-141/A incorpora el deflector de pluma, que evita daños en la bahía de armas lateral cuando el misil se lanza.
En la ilustración se puede ver la situación del armamento del F-22A. En marrón la bahía interna central (bahía principal). En azul las bahías laterales y en verde las estaciones exteriores que anulan la capacidad stealth del F-22A.Fuentes de alimentación
El concepto de refrigeración PAO también se aplica a todos los tipos de módulos reemplazables en línea (LRM) en el CIP. La refrigeración por flujo continuo de líquido mejora la confiabilidad, lo que permite un tiempo medio entre fallos (MTBF) de 25.000 horas. El refrigerante, que se dirige a través del módulo, proviene del sistema de control ambiental (ECS) del F-22. El concepto LRM es la base para todos los módulos de suministro de energía construidos para el F-22 para minimizar el tiempo de mantenimiento. Las rutinas de diagnóstico incorporadas detectan una fuente de alimentación defectuosa en un F-22 y permiten al personal de mantenimiento quitarla, reemplazarla y verificar el funcionamiento correcto en 15 minutos.
Bastidores/cajas de aviónica
Los bastidores de aviónica, ubicados en la parte delantera del fuselaje, contienen el procesamiento, no solo para la aviónica de la misión, sino también para el Sistema de Gestión de Vehículos (VMS) y el Controlador de Sistema Integrado de Vehículos (IVSC).
Sistema de Referencia Inercial (IRS) (ver artículo)
Dos giroscopios láser de anillo Litton LN-100F en la parte delantera del fuselaje proporcionan al avión un método autónomo para saber dónde se encuentra. Estas unidades de medición inercial, ubicadas de punta a punta detrás del radar en la línea central del avión, funcionan con buses de datos separados para proporcionar datos de medición independientes. En vuelo normal, los datos del IRS se fusionan con los datos del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) para proporcionar una capacidad de navegación extremadamente confiable. Las IMU son la única fuente de datos completamente confiable para el avión en actitudes superiores a 30 grados de ángulo de ataque (AOA). Una de las unidades del IRS introduce datos directamente en el CIP para la dirección del control de las armas.
Software
El software que proporciona la funcionalidad completa del sistema de aviónica se compone de aproximadamente 1,7 millones de líneas de código. El noventa por ciento del software está escrito en Ada, el lenguaje informático común del Departamento de Defensa. Las excepciones al requisito de Ada se conceden solo para requisitos especiales de procesamiento o mantenimiento. El plan de desarrollo del software, aunque se ha visto afectado como resultado de las limitaciones de financiación anteriores, se ha mantenido esencialmente sin cambios desde el inicio del Desarrollo de Ingeniería y Fabricación.
La aviónica
El software se integró en tres bloques, cada uno basado en la capacidad del bloque anterior. Cada ciclo de bloque es una secuencia de entregas de subsistemas, pruebas de integración en el Laboratorio de Integración de Aviónica (AIL) de Boeing, y luego entrega a Lockheed Martin en Marietta, Georgia, para la integración final en la aeronave y la verificación, así como el soporte a la aeronave.
- El bloque 1 es principalmente capacidad de radar, pero el bloque 1 contiene más del 50 por ciento de las líneas de código fuente (SLOC) de funcionalidad completa del conjunto de aviónica y proporciona capacidad de extremo a extremo para el flujo de datos del sensor al piloto. El cuarto F-22 EMD fue el primero en tener un conjunto de aviónica completo, y voló a mediados de 1999.
- El bloque 2 es el comienzo de la fusión de sensores. Agrega coordinación de radiofrecuencia, reconfiguración y algunas funciones de guerra electrónica. El bloque 2 se integró en el avión a finales de 1999.
- El bloque 3 abarca la fusión completa de sensores basada en funciones mejoradas de guerra electrónica y CNI. Tiene una capacidad de entrenamiento incorporada y proporciona contramedidas electrónicas (ECCM). Se integró en el avión en la primavera de 2000. El bloque 3.1, que añade la capacidad completa de lanzamiento de la munición de ataque directo conjunto (JDAM) GBU-32 y la capacidad de solo recepción del sistema de distribución de información táctica conjunta (JTIDS), se integró en abril de 2000.
- El software del bloque 4 fue posterior al desarrollo de ingeniería y fabricación. Se integró en los F-22 con capacidad operativa inicial e incluía señalización montada en el casco, integración AIM-9X y capacidad de envío del sistema de distribución de información táctica conjunta.
El hardware CIP estaba disponible mucho antes de que comenzaran las fases de código de software de aplicación del subsistema y de prueba de unidad para el software del bloque 1. Para algunos de los programas de software de mayor riesgo, como la fusión de datos de sensores, se han construido bancos de pruebas de algoritmos específicos y el software prototipo, que está instrumentado para medir el rendimiento (tiempos de correlación, precisión, etc.), ha estado en funcionamiento desde el inicio de EMD.
Banco de pruebas de vuelo (FTB)
El banco de pruebas de vuelo (FTB) representa un entorno de prueba provisional entre el entorno controlado, pero estático, de los laboratorios de tierra y las pruebas de vuelo dinámicas del F-22. Los sistemas de sensores instalados en la aeronave, los CIP, así como las consolas de operador y la instrumentación se utilizaron para probar las capacidades de aviónica antes de su instalación definitiva en el F-22.
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