ΑΝΑΛΥΣΗ: Stealth πολεμικά πλοία, μόδα ή πραγματική εξέλιξη επιβίωσης;

Του Γιώργου Λώλου, Professor Emeritus, University of Regina *

Το θέμα της τεχνολογίας stealth έχει γίνει θέμα συζητήσεων και έντονης αντιπαράθεσης σχετικά για τα μαχητικά F-35. Η τεχνολογία θεωρείται ως το μέλλον της πολεμικής αεροπορίας διεθνώς αλλά βλέπουμε συχνά και τον όρο για πολεμικά πλοία. Τι είναι όμως stealth, σε ποιες αρχές στηρίζεται και είναι πράγματι τόσο game changer; Για αεροπλάνα φαίνεται σχετικά εύκολο πια, αλλά για πολεμικά πλοία; Ας δούμε, λοιπόν, μερικές βασικές αρχές και περιορισμούς σε ένα επίπεδο που ολοι μπορούμε να κατανοήσουμε.

1. Προέλευση της λέξης stealth
   

 Στην αγγλική γλώσσα έχει τις ρίζες της στην λέξη stelthe που στον Μεσαίωνα σήμαινε κλοπή. Ετυμολογικά πάει πίσω στην παλαιά γερμανική για την κλοπή, stāla. Επειδή λοιπόν κανείς επιτυχημένος κλέφτης δεν θα έκανε την δουλειά του όταν μπορούσαν να τον βλέπουν άλλοι, ιδίως σε εποχές όπου η σύλληψη δεν θα είχε θετικό αποτέλεσμα στο ευδόκιμο ζωής του, η λέξης ταυτίστηκε με την έννοια της κρυφής ή αόρατης επιχείρησης.

2. Βασικές αρχές πίσω από την τεχνολογία

Οι βάσεις της τεχνολογίας stealth είναι εμπεδωμένες στην θεωρητική και εφαρμοσμένη φυσική. Οι πρακτικές εφαρμογές σε αεροπλάνα και πλοία συνδυάζουν πολλές άλλες ειδικότητες όπως ηλεκτρονικής, υλικών κλπ. Στην θεωρία, stealth σημαίνει να μη αντανακλάς το ηλεκτρομαγνητικό (ΗΜ) ή μηχανικό κύμα που εκπέμπει ο αντίπαλος σε κατεύθυνση και ισχύ που ο πομπός του να ανιχνεύει και να επεξεργάζεται την επιστροφή. Έτσι, για ένα μαχητικό, το ΗΜ κύμα από το επίγειο ή εναέριο αντίπαλο ραντάρ θα πρέπει ή να απορροφηθεί ή να αντανακλαστεί προς κατεύθυνση που δεν θα φθάσει στους αισθητήρες του πομποδέκτη. Όμως αν η αρχή είναι σχετικά εύκολη στη διατύπωση, το πώς πρακτικά καταστέλλεται ή εξαλείφεται η αντανάκλαση των ΗΜ κυμάτων των ραντάρ δεν είναι τόσο απλή.

Τι συμβαίνει όταν ένα ΗΜ κύμα προσκρούει σε ένα άλλο μέσο; Ο νόμος της ανακλάσεως ορίζει ότι η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με αυτήν της ανάκλασης και σε λεία επιφάνεια και οι δύο ακτίνες παραμένουν στο ίδιο επίπεδο, που είναι κάθετο στην επιφάνεια. Εδώ όμως αρχίζουν ορισμένα προβλήματα. Αυτό φαίνεται στην Εικόνα 1(Α) που οι ακτίνες παραμένουν παράλληλες και μετά την ανάκλαση.

Αυτή είναι η ιδανική περίπτωση ανακλάσεως (Α). Οι νόμοι της ανακλάσεως ισχύουν για όλων των ειδών τα κύματα και για όλα τα μήκη κύματος, το τι σημαίνει όμως λεία επιφάνεια εξαρτάται και από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Επειδή καμία επιφάνεια δεν γίνεται να είναι απολύτως λεία, το κριτήριο το πόσο λεία είναι γίνεται σε σύγκριση με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας. Αν η επιφάνεια έχει αποκλίσεις από την ιδανική, σημαίνει ότι παράλληλες ακτίνες δεν παραμένουν παράλληλες μετά την ανάκλαση και ούτε στο ίδιο επίπεδο, οπότε έχουμε διάχυση (Β). Δηλαδή, σε μικροσκοπικό επίπεδο οι νόμοι της ανακλάσεως ισχύουν αλλά σε μακροσκοπικό χώρο η ακτινοβολία (ενέργεια) έχει κατεύθυνση εκτός της αναμενόμενης από την ιδανική ανάκλαση. Στην περίπτωση (Β) οι ακτίνες δεν είναι καν στο ίδιο επίπεδο, δηλαδή η επιφάνεια διαχέει ΗΜ προς όλες τις κατευθύνσεις.

Στην φυσική η παράμετρος ενός ΗΜ που καθορίζει την φύση του είναι η συχνότητα, η οποία ορίζει την ενέργεια που μεταφέρει η ΗΜ ακτινοβολία. Η σχέση συχνότητας (ν) και μήκους κύματος (λ) είναι c=λxν, όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό. Όταν το μέσο διάδοσης για τα κύματα του ραντάρ παραμένει το ίδιο, π.χ. ο αέρας, συνήθως αναφερόμαστε στο μήκος κύματος γιατί έχουμε καλύτερη επίγνωση μεγέθους παρά συχνότητας. Η ενέργεια που καθορίζεται από την συχνότητα, είναι η ενέργεια που μεταφέρει το ΗΜ κύμα που παίζει ρόλο στην τεχνολογία stealth, και δεν πρέπει να συγχέεται με την ισχύ που εκπέμπει το ραντάρ που αντιπροσωπεύει τον αριθμό των κυμάτων που παράγει το ραντάρ ανά δευτερόλεπτο.

Η συχνότητα λοιπόν (ή το μήκος κύματος) καθορίζει πόσο εφικτή είναι η απόκρυψη του στόχου λόγω μεγέθους, όπως και την απορρόφηση στην ατμόσφαιρα και την επιλογή υλικών για την καταστολή της ανακλάσεως από τον στόχο. Η ισχύς του ραντάρ το μόνο που εγγυάται είναι ότι αρκετή ενέργεια θα ανακλαστεί από τον στόχο ώστε να γίνει εντοπισμός και πιθανώς στόχευση. Δηλαδή καθορίζει την μέγιστη απόσταση για έναν συγκεκριμένο στόχο με όλους τους άλλους παράγοντες ίδιους, όπως αναλύεται στην Ενότητα 3.

Ένα πολύ καλό παράδειγμα της σχέσης μήκους κύματος και μεγέθους στόχου είναι το νερό και το… ούζο! Και τα δυο ξεχωριστά είναι υγρά διαυγή στο ορατό φάσμα του φωτός, με μήκη κύματος από 300 νμ μέχρι 700 νμ (νανόμετρα). Ο λόγος που και τα δυο είναι άχρωμα είναι διότι το μέγεθος των μορίων τους είναι πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος του φωτός. Η πιθανότητα να γίνει ανάκλαση και διάχυση είναι μικρή για τις μικρές ποσότητες στο ποτήρι. Όταν όμως γίνει ανάμειξη των δυο, το αποτέλεσμα είναι ένα κάτασπρο ποτό! Ο λόγος είναι ότι τα καινούρια μόρια που σχηματίζονται από την ένωση των δυο είναι τώρα μεγαλύτερα και από το μεγαλύτερο μήκος κύματος του φωτός και όλο το φάσμα διαχέεται (ανακλάται) με την ίδια ένταση. Όταν γίνεται ίση ανάμειξη όλων των χρωμάτων, όλου του φάσματος του φωτός, καταλήγουμε σε λευκό. Είναι ο ίδιος λόγος που το γάλα είναι άσπρο. Μήκος κύματος λοιπόν και stealth δεν είναι ανεξάρτητες παράμετροι. Στον πίνακα εδώ απεικονίζονται τα μήκη κύματος και συχνότητες για τα ραντάρ:

Με επίπεδες επιφάνειες ο σχεδιασμός πρέπει είναι τέτοιος ώστε η ανάκλαση της ενέργειας από το ραντάρ να μη κατευθύνεται προς τον πομπό. Είναι φανερό ότι καμπύλες επιφάνειες πρέπει να αποφεύγονται όσο το δυνατόν και να σχεδιάζονται έτσι ώστε να μειώνουν ανάκλαση σε κατευθύνσεις από όπου προέρχεται η απειλή. Επίσης, οποιαδήποτε μεταβολή από λεία επιφάνεια, όπως αισθητήρες, εξοχές και οξείες άκρες, οδηγούν σε μη ελεγχόμενη ανάκλαση και αποφεύγονται.

Η Σιγκαπούρη παρουσιάζει το εγχώριο stealth Σκάφος Ειδικών Επιχειρήσεων

Δυο από τους λόγους που τα βομβαρδιστικά Β-2 και το νέο Β-21 έχουν τόσο χαμηλή Ενεργό Διατομή για Ραντάρ (ΕΔΡ ή RCS) είναι η έλλειψη κάθετων ουραίων και η τοποθέτηση εισόδου των αεραγωγών για τους κινητήρες στην άνω επιφάνεια. Έτσι, η μόνη επιφάνεια που ένα ραντάρ θα βλέπει από μπροστά και από κάτω, είναι η μπροστινή και η κοιλιακή, η τελευταία σχεδόν επίπεδη. Εδώ έχουμε και το δεύτερο σκέλος της πρακτικής εφαρμογής της τεχνολογίας stealth, με τη χρήση μη μεταλλικών υλικών όπως και ειδικών βαφών που απορροφούν μεγάλο ποσοστό της ενέργειας, ώστε να χάνεται για το εχθρικό ραντάρ.

Ιστορικά, η έννοια της Ενεργού Διατομής προέρχεται και χρησιμοποιείται ευρύτατα στη Φυσική και εκφράζει την πιθανότητα για μια ορισμένη αντίδραση να συμβεί. Έχει ως μονάδα μετρήσεως αυτή της επιφάνειας και, ειδικά για την περίπτωση που μας απασχολεί εδώ, η Ενεργός Διατομή για Ραντάρ (ΕΔΡ, RCS) εκφράζεται σε m2 ή σε λογαριθμική έκφραση dBm2. Αν και η αναφορά γίνεται για μέγεθος επιφάνειας, η σχέση γεωμετρίας της επιφάνειας του στόχου και της ΕΔΡ που επιστρέφει την ΗΜ είναι ιδιαίτερη. Μια σφαίρα με διάμετρο 1,13 m έχει επιφάνεια διατομής 1 m2 και με ν=1 GHz η ΕΔΡ είναι 1 m2. Μια πλάκα μως με επιφάνεια πάλι  1m2, που είναι κάθετη στις ακτίνες του ραντάρ, φθάνει σε ενεργό διατομή τα 140 m2! Ο λόγος είναι απλός. Η σφαίρα αντανακλά την ακτινοβολία με διαφορετικές γωνιές λόγω της καμπυλότητάς της και ένα ποσοστό μόνο επιστρέφει στον πομποδέκτη. Αντιθέτως, με γωνία πρόσπτωσης 0 ως προς την κάθετο, η ανάκλαση με την ίδια γωνία στέλνει (θεωρητικά) όλη την ακτινοβολία πίσω. Εάν, βέβαια, η πλάκα είναι υπό γωνία εκτός καθέτου, η ανάκλαση θα κατευθύνει την ακτινοβολία εκτός στερεάς γωνίας του πομποδέκτη με αποτέλεσμα την δραστική μείωση της ΕΔΡ.

Τα πλοία και τα εναέρια ραντάρ χρησιμοποιούν L και S ζώνες για να εκπέμψουν. Μάλιστα, η δεύτερη ζώνη έχει και το πλεονέκτημα της μικρότερης απορρόφησης στην ατμόσφαιρα. Γενικά, κύματα με μεγαλύτερο μήκος κύματος δεν χάνουν ισχύ όσο τα κύματα με μικρότερο μήκος. Επιπλέον, η L, και λίγο λιγότερο η S, ζώνες με ανάλογο μήκος κύματος, σε σύγκριση με το μέγεθος του αεροσκάφους, κάνουν το τελευταίο να γίνεται δευτερογενής αντέννα (συντονισμός). Η ΗΜ ακτινοβολία σχηματίζει μια αλληλοεπίδραση με το αντικείμενο και η φύσης αυτής χαρακτηρίζεται από τρεις κατηγορίες, εν σχέση με μήκος κύματος και μέγεθος στόχου:

• Περιοχή Rayleigh: τυπικό μέγεθος αντικειμένου < λ
• Περιοχή Συντονισμού: λ < τυπικό μέγεθος αντικειμένου < 3λ
• Περιοχή Οπτικής Ανακλάσεως: 3λ < τυπικό μέγεθος αντικειμένου

Στην περίπτωση του καθαρού ούζου έχουμε Περιοχή Rayleigh. Είναι φανερό ότι δεν υπάρχουν αυστηρές διαχωριστικές γραμμές αλλά αυτές οι τρεις περιοχές καθορίζουν τους κυρίους μηχανισμούς ανακλάσεως. Για αυτό ο εντοπισμός για ένα μαχητικό με ραντάρ L ζώνης γίνεται κυρίως μέσω συντονισμού συχνοτήτων και όχι απλώς μόνον με οπτική (γεωμετρική) ανάκλαση. Αυτός είναι ακριβώς και ο λόγος γιατί και μικρού μεγέθους εξωτερικά φορτία αυξάνουν τόσο πολύ την ΕΔΡ (RCS), πιο έντονα από ότι το γεωμετρικό μέγεθος τους θα δικαιολογούσε.

Βέβαια, για να είναι αποτελεσματικά τα ραντάρ L, οι κεραίες τους πρέπει να είναι μεγάλων διαστάσεων, δηλαδή σε πλοία, σταθμούς εδάφους και εναέρια ραντάρ. Τα ρωσικά Su-57 και Su-35 διαφημίζονται ότι έχουν και ραντάρ που εκπέμπουν στην ζώνη L στα φτερά τους και ότι αυτό είναι αποτελεσματικό εναντίον αντιπάλων μαχητικών stealth. Το μικρό μέγεθος του ραντάρ που έχουν είναι αδύνατον να είναι αποτελεσματικό για αυτόν τον σκοπό και μάλλον είναι συμπληρωματικό του συστήματος IFF, αν και μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως ηλεκτρονικός συλλέκτης σε αυτήν την ζώνη.

Οι βαφές ή οι επιστρώσεις (Radar Absorbing Materials, RAM) για την καταστολή της ανακλάσεως της ενέργειας των κυμάτων των ραντάρ βασίζονται στην μετατροπή της ΗΜ σε θερμική. Η βάσης τέτοιων υλικών είναι συνδυασμός πολυμερικού πίνακα από σιδηρομαγνητικά σφαιρίδια με υψηλή διηλεκτρική σταθερά (Iron Ball Paint). Αυτά απορροφούν την ΗΜ ενέργεια και την τρέπουν σε θερμική ενέργεια και τελικά αυτό οδηγεί σε μικρή αύξηση της θερμοκρασίας του υλικού. Γενικά τέτοια υλικά είναι πιο αποτελεσματικά για τις υψηλότερες συχνότητες αλλά προσπάθειες γίνονται και για την δημιουργία υλικών με ευρύτερη κάλυψη (Broad Band). Είναι τεχνολογίες που οι κατασκευαστές τις κρατούν μυστικές, για προφανείς λόγους.

ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ: Κλάση γαλλικών φρεγατών La Fayette, οι πρώτες φρεγάτες Stealth

3. Eίναι δυνατόν να σχεδιαστούν stealth πλοία;

 Αν η κατασκευή stealth αεροσκαφών είναι μια δύσκολη επιχείρηση, ο σχεδιασμός ενός stealth πολεμικού πλοίου ακούγεται οξύμωρο! Πως κρύβεις πλοίο μεγάλου εγέθους από το ραντάρ; Τα αεροπλάνα έχουν την δυνατότητα να επιχειρούν σε τρεις διαστάσεις και να μπορούν να χρησιμοποιούν το ανάγλυφο ή το ύψος ανάλογα με την αποστολή και τις επικρατούσες συνθήκες. Τα πλοία όμως, είναι καταδικασμένα στις δύο διαστάσεις και, εκτός από νησιά, η μόνη κάλυψη που είναι διαθέσιμη είναι η καμπυλότητα της Γης. Αυτό, όμως, κάνει τα πλοία, όταν εμφανιστούν στον ορίζοντα, να είναι ήδη σε μικρή απόσταση από τον αντίπαλο.

Τα πλοία για να είναι stealth σε όλες τις απειλές -αέρος, επιφάνειας και υποβρύχια- πρέπει να καταστείλουν ΗΜ εκπομπές από εχθρικά ραντάρ, να μη εκπέμπουν τα ίδια, να μη κάνουν θόρυβο και να μη αφήνουν απόνερα. Το πρόβλημα είναι φανερό. Είναι σχεδόν αδύνατο να γίνει ένα πολεμικό πλοίο τόσο δύσκολο στον εντοπισμό όσο ένα αεροπλάνο. Όμως τι πρέπει να εισέλθει στον σχεδιασμό ενός πλοίου για να γίνει πολύ δύσκολο σε εντοπισμό και στόχευση; Αυτό φαίνεται στην παρακάτω εικόνα που απεικονίζεται ο αριθμός των πολεμικών πλοίων εν χρήση στα οποία έχουν εφαρμοστεί οι τακτικές του σχήματος (α), καταστολής υπέρυθρου (β), επιλογής ειδικών υλικών κατασκευής (γ) και βαφής (δ), αντίστοιχα.

Εμείς, θα επικεντρωθούμε στην καταστολή για ραντάρ που είναι και προφανώς ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για την προστασία του πλοίου. Συνήθως βέβαια γίνεται συνδυασμός των μεθόδων.

Το μεγάλο πρόβλημα, με τα πολεμικά πλοία είναι ότι δεν είναι γυμνά σκάφη αλλά έχουν πληθώρα οπλικών και άλλων μεγάλων συστημάτων τα οποία είναι εξαιρετικά αντανακλαστικά στην ΗΜ, και πολύ δύσκολο να καταστείλουν την ανάκλαση των ακτινών του αντιπάλου ραντάρ.,

Το Αμερικανικό Ναυτικό κάποτε κατασκεύασε και δοκίμασε ένα πειραματικό stealth πλοίο το Sea Shadow (Εικονα 2). Το σχήμα του σκἀφους ήταν έτσι ώστε οι μεγάλες επιφάνειες να είναι όσο λείες γίνεται, εν σχέση με τα μήκη κύματος από ναυτικά ραντάρ. Σε μια άσκηση, το πλοίο εισήλθε βράδυ σε βάση του Αμερικανικού Ναυτικού, με όλα τα φώτα του σβηστά και κανένα από τα ραντάρ των άλλων πλοίων δεν το εντόπισε. Έτσι τουλάχιστον έχει αναφερθεί σε σχόλια στον Τύπο. Τα αντιτορπιλικά Zumwalt ακολουθούν την ίδια φιλοσοφία.

Είναι λοιπόν φανερό ότι σε πρώτο επίπεδο ο σχεδιασμός του πλοίου ξεκινά από το σχήμα του σκάφους. Ένα παράδειγμα είναι το παρακάτω, το LCS τύπου Freedom, που συζητείται και για το το ΠΝ.

Μπορεί το πλοίο να μην είναι ιδιαίτερα αξιόμαχο στη βασική του διαμόρφωση, αλλά από πλευράς σχεδίου για stealth είναι ένα πολύ καλό παράδειγμα. Έτσι ενώ το σκάφος έχει τις πλευρές του με έντονη γωνία προς την επιφάνεια της θάλασσας, η υπερκατασκευή έχει γωνία προς τον ουρανό. Οπότε σε συνδυασμό με την έλλειψη πολλών εκτός κάλυψης της υπερκατασκευής, οπλικών συστημάτων, ραντάρ, αισθητήρων και άλλων πηγών ανακλάσεως, το όλο σχέδιο θεωρείται επιτυχές. Βέβαια, του λείπουν τα συστήματά που θα το έκαναν καλά οπλισμένο αλλά για αυτό που σχεδιάστηκε, ικανοποιεί τον όρο χαμηλής ενεργού διατομής από εχθρικά ραντάρ. Ακόμη και το πυροβόλο έχει διαφορετικές επιφάνειες, με κλίσεις που αντανακλούν είτε προς τον ουρανό είτε προς την θάλασσα. Αυτός είναι και ο λόγος που οι Γάλλοι δήλωσαν ότι προσθήκη του εκτοξευτή RAM για άμυνα σημείου στις FDI, θα μειώσει την απόδοση του σκάφους ως stealth.

Πόσο επηρεάζουν τα συστήματά στην υπερκατασκευἠ φαίνεται από την Εικόνα 4 όπου: Α είναι απλή ανάκλαση, Β διπλή, με κατεύθυνση τελείως διαφορετική από τν αρχική, C τριπλή ανάκλαση και D σκέδαση σε αιχμή ή γωνία.  Ουσιαστικά το πλοίο επιστρέφει ΗΜ ενέργεια προς όλες τις δυνατές κατευθύνσεις, με αποτέλεσμα όχι μόνον το αρχικό αντίπαλο ραντάρ να δέχεται ισχυρή επιστροφή αλλά πιθανώς και άλλα αντίπαλα πλοία στην περιοχή.

Η μέτρηση και ο υπολογισμός της ΕΔΡ ενός πλοίου είναι φανερό ότι δεν είναι καθόλου εύκολη υπόθεση. Εν αντιθέσει με τα αεροπλάνα που μετρήσεις μπορούν να γίνουν σε ειδικούς θαλάμους ή/και σε ανυψωμένες βάσεις, ώστε να απεικονίζουν όλες τις γωνίες, με τα πλοία αυτό είναι πολύ δύσκολο. Και δεν μπορούν να έχουν την ακρίβεια των αντίστοιχων για αεροπλάνα αλλά πιθανώς με το μέγεθος του πλοίου να μη χρειάζονται και τέτοια. Μελέτες επίσης γίνονται με υπολογιστές, οπότε τελικά είναι δυνατόν να βγουν εξισώσεις που παράγουν ακριβείς υπολογισμούς. Mε τις παραπάνω επιφυλάξεις, έχει εξαχθεί μια εμπειρική, σχετικά, παραμετρική εξίσωση για την ΕΔΡ (σ’) που συνδέει το μέγεθος (εκτόπισμα) του σκάφους και την συχνότητα του ραντάρ. Αυτή η εξίσωση έχει βασιστεί σε μετρήσεις από διάφορες γωνίες και συχνότητες αλλά δεν αντικατοπτρίζει την πραγματική εικόνα λόγω των διαφορών σε συστήματα άνω του σκάφους. Δεν είναι, δηλαδή, η αποτελεσματική ΕΔΡ (σ) για ένα ορισμένο πλοιο, όπως εξηγείται πιο κάτω, αλλά δεν αποκλίνει και τόσο:

Εξίσωση 1:  σ’= 52⎷(νxD3)

 Εδώ, “ν” είναι η συχνότητα του ραντάρ σε GHz, που αντιστοιχεί σε λ= 3,25, 10,7 και 23 cm, δηλαδή στις ζώνες X, S και L, αντίστοιχα. “D” είναι το εκτόπισμα του σκάφους σε χιλιάδες τόνους και η εξίσωση έχει δοκιμαστεί μεταξύ 2 και 17 χιλιάδων τόνων. Για παράδειγμα, μια φρεγάτα 4.500 τόνων και για την S ζώνη (10,7 cm, 3.000 MHz) καταληγουμε σε σ’ = 27.188 m2. Αυτή η τιμή είναι λογική και είναι ανάμεσα στις ανεπίσημα δημοσιευμένες μετρήσεις 5.000 m2 με 100.000 m2! Η συχνότητα είναι στην τετραγωνική ρίζα και, ως αποτέλεσμα, για ένα μεγάλο στόχο όπως ένα πλοίο οι διαφορές στις συχνότητες για τις άλλες ζώνες δεν δίνουν σημαντικές διαφορές στο αποτέλεσμα. Αυτό είναι αναμενόμενο διότι το φυσικό μέγεθος του σκάφους είναι πολύ μεγαλύτερο από το μήκος κύματος του ραντάρ (Περιοχή Οπτικής Ανακλάσεως 3). Η εξίσωση είναι ενδεικτική σε γενικό βάθρο με τι μεγέθη έχουμε να κάνουμε. Πιθανώς ένα σκάφος να έχει μεγαλύτερη σ’ από ένα άλλο που έχει καλύτερο σχεδιασμό και αυτό φαίνεται από το πλάτος των μετρήσεων. Το πόσο μια stealth εφαρμογή μειώνει τέτοιες τιμές είναι άγνωστο στην βιβλιογραφία, όπως αναλύεται πιο κάτω.

Ας εξετάσουμε τώρα μια λίγο πιο λεπτομερή ανάλυση τη σχέση της ενεργού διατομής και της αποστάσεως που το σκάφος ανιχνεύεται από το αντίπαλο ραντάρ. Η μέτρηση της ΕΔΡ στην εξίσωση 1 είναι μια στατική – χονδρικά – μέτρηση χαρακτηριστική του σκάφους και όχι η σ που συνδέεται με την πιθανότητα να ανιχνευτεί το σκάφος από έναν αντίπαλο σε μια απόσταση R. Στην περίπτωση που εξετάζουμε εδώ, η πιθανότητα το αντίπαλο ραντάρ να ανιχνεύσει ένα στόχο εξαρτάται από την ουσιαστική ΕΔΡ (σ) του στόχου, όπως έχει μετρηθεί κάτω από πραγματικές συνθήκες και με σχετική ακρίβεια, υπολογίζοντας την ισχύ του ραντάρ, τις καιρικές συνθήκες, τις πιθανές ηλεκτρονικές παρεμβολές και, φυσικά, την απόσταση μεταξύ στόχου και εκπέμποντος ραντάρ. Για ένα ορισμένο ραντάρ, λοιπόν, αν συνοψισθούν όλες οι παράμετροι (εκτός της αποστάσεως) ως ένας παράγων Κ, σαν μια σταθερά δηλαδή για αυτό ειδικά το ραντάρ, η σχέσης μεταξύ αποτελεσματικής σ και R είναι (από την θεωρία ηλεκτρομαγνητισμού):

Εξίσωση 2: σ=ΚxR4 ή σ/R4=K

Εξίσωση 3: K=(4π)3xP_min /(P_txG2xλ2)

 Όπου:

• P_min = ισχύς του ελάχιστου ανιχνεύσιμου σήματος.
• P_t = ισχύς εκπομπής του ραντάρ.
• G = τιμή ενίσχυσης της κεραίας (antenna gain).
• λ = μήκος κύματος εκπομπής.

Βλέπουμε λοιπόν, ότι για να διπλασιαστεί η απόστασης ανίχνευσης, η σ πρέπει να είναι 16 φορές μεγαλύτερη για να παραμείνει ο λόγος σταθερός! Το αντίστροφο, βέβαια ισχύει ότι, στην μισή απόσταση, ένα πλοίο με 16 φορές χαμηλότερη σ ικανοποιεί την εξίσωση 2. Φαίνεται επίσης ο ρόλος της ισχύος της κεραίας αλλά και της ποιότητας στο να διακρίνει αληθινό σήμα από ηλεκτρονικό θόρυβο. Ραντάρ τελευταίας τεχνολογίας έχουν πολύ χαμηλό P_min της τάξεως του picoW ( 10-12 W). Οι εξισώσεις 2, 3 ισχύουν γενικά, είτε το αντικείμενο είναι σκάφος είτε αεροσκάφος.

HSwMS “Smyge” – Το φιλόδοξο ταχύπλοο stealth των Σουηδών

4.    Το Δια Ταύτα

 Ενώ στην βιβλιογραφία υπάρχουν πολλές δημοσιεύσεις με μετρήσεις ΕΔΡ (σ) για μαχητικά και βομβαρδιστικά, για πλοία δεν υπάρχουν παρόμοια λεπτομερή στοιχεία. Αυτή η παρατήρηση κάνει κάποιον να διερωτάται γιατί ενώ οι κατασκευαστές διαφημίζουν τα stealth πλοία τους ως τέτοια, σοβαρές μετρήσεις δεν καταγράφονται. Ίσως ένας λόγος να είναι ότι ο προσδιορισμός της σ ενός πλήρως εξοπλισμένου πλοίου να είναι τόσο δύσκολος και τα αποτελέσματα να είναι ευαίσθητα στην κατάσταση της θάλασσας, που οι μετρήσεις να μη έχουν πολύ νόημα.

Είναι γεγονός, όμως, ότι ο συνδυασμός κεκλιμένων πλευρών του σκάφους ώστε να κατευθύνουν τις ανακλάσεις είτε προς τον ουρανό είτε προς την επιφάνεια της θάλασσας, οπωσδήποτε συμβάλουν στην μείωση της ακτινοβολίας που επιστρέφει στο αντίπαλο ραντάρ. Ανάλογος σχεδιασμός για την υπερκατασκευή και των οπλικών και άλλων συστημάτων, όσο αυτό είναι δυνατόν, είναι απαραίτητο αλλά είναι και πιο δύσκολο. Βαφές και επίστρωση για καταστολή της ακτινοβολίας από ραντάρ και υπέρυθρες εκπομπές συμπληρώνουν την προσπάθεια. Να γίνει, όμως, ένα πλήρως εξοπλισμένο πολεμικό πλοίο πολύ δύσκολος στόχος είναι φυσικά αδύνατον και, αν έχουν γίνει μετρήσεις σε πλοία που έχουν σχεδιαστεί για χαμηλή πιθανότητα εντοπίσεως με ραντάρ, δεν έχουν δημοσιευθεί.

Όπως είπαμε ένα “ιδανικό” πλοίο, ως προς την ικανότητα stealth είναι το Sea Shadow στην Εικονα 2. Δεν έχει όμως υπερκατασκευή ξεχωριστή από το κύριο σκάφος και δεν έχει τίποτα που να προκαλεί την ανεξέλεγκτη αντανάκλαση που φαίνεται στην Εικόνα 4. Το πόσο ένα τέτοιο σχέδιο είναι εφικτό για μάχιμο πλοίο είναι φυσικά ακαδημαϊκή ερώτηση.

Τέλος, εάν υπολογίσουμε ότι η απόσταση στην οποία μια φρεγάτα με ιστό ραντάρ 40 μέτρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας έχει ορίζοντα περίπου 23χλμ., σε αυτήν την απόσταση θα είναι και η πρώτη ένδειξη του στόχου. Αν τώρα υποθέσουμε ότι μια φρεγάτα χαμηλού ΕΔΡ έχει μια μικρή σ= 5.000 m2, όπως φαίνεται να υποδεικνύουν οι μετρήσεις, είναι δυνατόν μια τέτοια φρεγάτα να μη γίνει ορατή στο ραντάρ στα 23χλμ; Πλοίο εναντίον πλοίου, βέβαια, δεν είναι η μόνη περίπτωση που λαμβάνεται σοβαρά υπόψιν μια χαμηλή σ. Έχει ειπωθεί, π.χ. ότι για το Αμερικανικό Ναυτικό, που επιχειρεί στις αχανείς εκτάσεις του Ειρηνικού και υπό τον φόβο των κινεζικών πολύ μεγάλης ακτίνας βαλλιστικών πυραύλων με τερματική καθοδήγηση, η χαμηλή σ των πολεμικών πλοίων, όπου ταυτοχρόνως πλέουν πολλά εμπορικά και αλιευτικά πλοία, έχει ουσιαστικό ρόλο στην επιβίωση τους.

Navantia: Πρόταση για ένα πολεμικό πραγματικά stealth

Είναι, λοιπόν η έμφαση για stealth πολεμικά πλοία πιο πολύ μόδα παρά αποτέλεσμα; Μεταξύ μιας stealth φρεγάτας ἠ/και αντιτορπιλικού, με όλες τις δεσμεύσεις σε σχεδίαση σκάφους, οπλισμού και ηλεκτρονικών συστημάτων που απαιτείται και ενός κλασικού αντιτροπιλικού κλάσης Arleigh Burke με ΕΔΡ που κάθε άλλο παρά stealth είναι, η επιλογή χωρίς αμφιβολία θα είναι δύσκολη. Άρα είναι το stealth μια πολυτέλεια για πολεμικά πλοία; Εξαρτάται. Μια απάντηση έχει δοθεί με την κορβέτα Visby (Εικονα 5) του Σουηδικού Πολεμικού Ναυτικού, ένα σκάφος που μπορεί να περιγραφεί ως “ένα πολύεδρο που επιπλέει”. Όπου καμία τεχνολογία μείωσης θερμικού και ΗΜ ίχνου δεν έχει μείνει εκτός σχεδιασμού και εφαρμογής. Η Visby, αν και με τεχνολογία μείωσης ίχνους 20ετίας, είναι ιδανικά σχεδιασμένη για την Βαλτική: που με την παρουσία παντού βραχωδών ακτών, νησιών και νησίδων, γίνεται ένα δύσκολο περιβάλλον για τα ραντάρ του αντιπάλου, ιδίως με αποτελεσματικά αντίμετρα που συνοδεύουν και βελτιστοποιούν όλες τις παθητικές τεχνικές του σκάφους.

Με τα ανωτέρω, είναι εμφανές ότι ο ρόλος που παίζει η τεχνολογία stealth στην απόκρυψη του πλοίου δεν είναι τόσο εντυπωσιακή, όσο εκείνη των μαχητικών. Υπάρχει όμως προστασία ενός πλοίου με χαμηλή σ. Ας πάρουμε μια χαρακτηριστική ΕΔΡ και μια τυπική σχετικά μεγάλη φρεγάτα με τιμή περίπου 25.000 m2 (44 dBm2). Με μια σχετικά εύκολη στην εφαρμογή βαφή σε κρίσιμα στοιχεία στην υπερκατασκευή, έχουμε μείωση ίχνους κατά 3 dBm2, οπότε παρουσιάζεται βελτίωση (η κλίμακα dB είναι λογαριθμική) στο επίπεδο 12.500 m2. Με την προσθήκη υλικών (πλακών) που απορροφούν την ενέργεια των ακτίνων του ραντάρ, θεωρείται εφικτό περαιτέρω μείωση της σ στο μισό, δηλαδή 6.250 m2 (38 dBm2). Εάν τώρα η φρεγάτα έχει σχεδιαστεί και κατάλληλα, μια τελική τιμή αποτελεσματική σ της τάξης των 28 dBm2 είναι εφικτή (όχι εύκολη αλλά θεωρητικά εφικτή), που σημαίνει περίπου 1.000 m2!

Βέβαια τέτοιες τιμές καθόλου μικρές δεν είναι συγκριτικά με μαχητικά αεροσκάφη, αλλά είναι ίσες ή μικρότερες από ότι δημιουργεί ένα νέφος αεροφύλλων (chaff). Με αλλά λόγια μια τέτοια μείωση ίχνους αυξάνει την πιθανότητα ο επερχόμενος πύραυλος, με το δικό του ραντάρ ενεργοποιημένο, να παραπλανηθεί! Ακόμη, άν το σκάφος έχει και ικανά ηλεκτρονικά αντίμετρα, αυτά λειτουργούν σε συνέργεια με τις βαφές και τα υλικά απορροφήσεως και μειώνουν την απόσταση στην οποία το ραντάρ του πυραύλου, που παραμένει τυφλωμένο από τα ηλεκτρονικά αντίμετρα, θα δύναται να “κλειδώσει” το πλοίο ως στόχο. Σε συνδυασμό με ελιγμούς και με βολές άμυνας σημείου το πλοίο έχει έτσι μεγαλύτερη πιθανότητα να καταφέρει είτε την αστοχία του πυραύλου, είτε την καταστροφή του. Για αυτόν τον λόγο έγινε η αναφορά, για αποτελεσματικά αντίμετρα για την Visby.

Συμπέρασμα: Η έννοια stealth για ένα πολεμικό σκάφος δεν έχει σχέση με εκείνη περί μη ανιχνεύσιμης παρουσίας σε ραντάρ για αεροσκάφη. Είναι αδύνατον να σχεδιαστεί σκάφος με μέγεθος περιπολικού και άνω, που να έχει τόσο χαμηλή ΕΔΡ. Πό ακριβής περιγραφή είναι εκείνη που λέει πως ένα πολεμικό πλοίο έχει μειωμένη ΕΔΡ συγκριτικά με ένα άλλο ανάλογου ρόλου και μεγέθους.

Από την άλλη πλευρά, δραστική μείωση της ΕΔΡ μπορεί να έχει και προβλήματα στην ασφάλεια ναυσιπλοϊας, διότι σε περίοδο νύχτας, κακοκαιρίας και γενικά χαμηλής ορατότητας η απόσταση ασφαλείας προς αποφυγή συγκρούσεων μειώνεται, με ότι αυτό συνεπάγεται. Ακόμη, στην εξίσωση κόστους, χρηματικού και σχεδιαστικού, εν σχέσει με το πλεονέκτημα, πρέπει να εισέλθει και η ανάγκη συνεχούς συντήρησης των βαφών και υλικών απορρόφησης. Τέλος, σε περίπτωση πολέμου στον 21ο αιώνα, δεν αναμένεται να στηρίζεται ένας στόλος μόνο σε ραντάρ για να εντοπίσει τον αντίπαλο του. Πλέον υπάρχουν UAV, ελικόπτερα, εναέρια ραντάρ και ακόμη και δορυφορικές πληροφορίες, οπότε η πραγματική προσφορά μείωσης του ίχνους του κάθε σκάφους μειώνεται.

Για ορισμένες περιπτώσεις όμως, όπως σε μικρά πολεμικά σκάφη, που κινούνται ανάμεσα σε νησιά και βραχονησίδες διαθέτοντας και κατάλληλα αντίμετρα, μια χαμηλή σ μπορεί πράγματι να κάνει την διαφορά σε επιβίωση. Για ένα μεγαλύτερο σκάφος, αν δεν γίνονται θυσίες σε οπλικά και ηλεκτρονικά συστήματα λόγω σχεδίου και, αν τα αυξημένα έξοδα συντηρήσεως των βαφών και πλακιδίων δεν είναι πρόβλημα, βέβαια η χαμηλή σ είναι οπωσδήποτε ένα ισχυρό πλεονέκτημα, όχι τόσο για την αποφυγή εντοπισμού αλλά για προστασία από πλήγματα. Ενώ υπάρχει αξία σε μια stealth φρεγάτα που σε αντίπαλο ραντάρ εμφανίζεται ως ένα αλιευτικό ή άλλο παρόμοιο μικρό εμπορικό πλοίο, ιδίως υπό συνθήκες νύχτας η ομίχλης.

Έτσι η τεχνολογία και οι εφαρμογές της σε αμυντικά συστήματα συνεχώς εξελίσσονται και η χαμηλή σ ενός πολεμικού πλοίου είναι ένας ακόμη θετικός παράγοντας ασφαλείας του, αλλά όχι game changer, όπως για τα αεροσκάφη. Τελικά, όλα τα μη φονικά αμυντικά συστήματά έναντι πυραυλικών απειλών, σε συνδυασμό με χαμηλή σ, είναι πολύ χρήσιμα για την επιβίωση του πλοίου αλλά δεν αντικαθιστούν τα φονικά, είτε πύραυλους είτε πυροβόλα.

Ενδεικτική βιβλιογραφία

• Warship radar cross section determination and reduction, and hindrances in optimizing radar cross section reduction on warship. Conference: Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering, Volume:8009
• Recent Developments in Stealth Considerations for Surface Warship Design, GRD Journals-Global Research and Development Journal for Engineering. Volume 4; Issue 2; January (2019).
• Shaeffer, Tuley and Knott. Radar Cross Section. SciTech Publishing, 2004.

*Το ερευνητικό ενδιαφέρον του υπογράφοντος εστιάζεται στην πυρηνική και σωματιδιακή Φυσική