Tecnologia Stealth

In questi ultimi tempi il termine “stealth” è sempre più associato a velivoli o navi di ultima generazione, spesso basandosi solo su un fatto estetico. Va subito sfatato il concetto di “invisibilità“: nulla è invisibile ed è impossibile (attraverso le attuali tecnologie) creare un aeromobile, mezzo o nave che non possa essere identificato tramite radar. In questo articolo verranno esposte le basi e i principi di questa tecnologia attraverso un punto di vista fisico, focalizzando l’attenzione agli aeromobili essendo la tecnologia stealth applicata principalmente a questo campo.

Per comprendere la Tecnologia Stealth si deve partire dalle basi di funzionamento del radar: le onde elettromagnetiche emesse da un radar, raggiunto un ostacolo, vengono riflesse da quest’ultimo cosicché parte delle onde tornano al punto di emissione; da lì poi si procede all’elaborazione. Il segnale acquisito dal rilevatore viene elaborato al fine di stabilire posizione, grandezza e direzione dell’oggetto.

Sezione Radar Equivalente o Radar Cross-Section (RCS)

Il RCS (Radar Cross Section o la Sezione Radar Equivalente) è indice di quanto un oggetto (quindi non solo aeromobili) appare grande sullo schermo radar: più è grande il RCS di un oggetto, più possibilità ci sono di essere intercettato da un radar. Per esempio un F-22 o un B2 hanno un RCS (stimato) di 0.0001 m², in pratica sono invisibili alla maggioranza dei radar moderni. Di seguito una utile infografica che compara veicoli, velivoli e imbarcazioni in base al valore dell’RCS.

Il basso valore di RCS di alcuni particolari velivoli (o mezzi terrestri e navali) non deve far pensare all’invisibilità totale di questi ultimi. Un radar moderno ha sicuramente difficoltà nell’intercettare un velivolo stealth a lunghe distanze ma potrebbe facilmente riuscire ad individuarlo a distanze minori (è comunque tutto relativo all’apparecchio in questione, non si può generalizzare). Un paragone non troppo lontano da ciò che avviene tra un radar e un aeromobile è ciò che si può sperimentare guardando un un piccolo insetto: con i nostri occhi possiamo intravederlo da vicino, riuscire a sentirlo con le orecchie, ma avremmo difficoltà nel seguirlo con lo sguardo a causa delle sue dimensioni e della sua velocità. Insomma il problema non è solo di rilevare la presenza di un oggetto ma di poterlo seguire: il radar non è utilizzato solo al fine di localizzare la minaccia ma di poterla inseguire in modo da fornire le correzioni da apportare ai missili terra-aria o aria-aria.

In generale per RCS di un oggetto si deve intendere l’insieme dell’attitudine a riflettere di ciascuna componente che lo costituisce e non solo di ciò che lo riveste quindi sono rilevanti anche i componenti interni, per esempio lo stesso radar che equipaggia un velivolo è una superficie riflettente.

La riflettività di un oggetto varia con l’angolo di illuminazione delle onde elettromagnetiche: in particolare, pensando ad un velivolo, le zone maggiormente esposte ai radar sono nell’arco laterale (cono con apertura di ± 45°) e lungo la verticale (cono di ±15°).

Al livello matematico il RCS rappresenta quindi un valore numerico, precisamente un’area (calcolata in m²), che più generalmente è definita σ (sigma), e sta ad indicare l’attitudine a riflettere il segnale di un radar. Questo parametro dipende da numerose variabili tra cui (parlando di velivoli):

• La geometria del velivolo
• I materiali utilizzati nel velivolo
• La posizione del radar
• La frequenza del trasmettitore del radar

La qualità stealth di un aeromobile, veicolo o nave è espressa dalla relazione σ riportata nel seguito. Tale equazione in realtà esprime il valore di RCS che ha una sfera metallica che presenta la stessa riflettività dell’oggetto in questione (aereo o nave che sia):

In cui 4πr² indica l’area di un cerchio mentre S(r) è la potenza riflessa per unità di area dall’oggetto (W/m²) mentre S(t) è la potenza intercettata dal velivolo per unità di area (W/m²).

In caso di mezzi non progettati con caratteristiche stealth è comunque possibile la riduzione del RCS: tramite una serie di interventi strutturali è possibile ridurre la riflessività, per esempio modificando le prese dinamiche (le palette degli elementi del motore favoriscono notevolmente la riflessione, specialmente il compressore), schermando i sistemi optronici, utilizzo di radomi che filtrano bande di frequenza, conformando la struttura esterna tramite geometrie più adatte oppure persino il trattamento della prima ordinata della fusoliera anteriore che supporta l’antenna.Un esempio di aggiornamento effettuato su un velivolo a seguito dell’ingresso in produzione è il caso dell’F/A-18: tale velivolo nelle configurazioni A/B/C/D presenta delle prese dinamiche di un certo tipo (esteticamente più tondeggianti), sostituite da prese “più squadrate” nel caso dell’F/A-18 E/F.

La Tecnologia Stealth si basa quindi sul principio di eliminare i riflessi radar attraverso un insieme di azioni:

• Attraverso  il RAM Coating
• Attraverso la Modellazione della superficie
• Presenza di sistemi di guerra elettronica (EW)

Di seguito si trattano i primi due punti.

RAM (Radar Absorbent Material) Coating

La tecnologia di assorbimento delle onde elettromagnetiche avviene principalmente attraverso il RAM (Radio Absorbent Material): a distanza di decadi è noto poco o nulla del sistema RAM del SR-71 (uno dei primi aerei ad essere progettato con criteri stealth) e ciò fa capire quanto questa tecnologia sia importante e tenuta ben nascosta da chi ne possiede buone conoscenze.

Per quello che è possibile comprendere, l’assorbimento avviene attraverso la conversione dell’energia associata alle onde elettromagnetiche in energia termica (quindi calore) che viene dissipato sulla superficie dell’aereo.

Per aumentare l’assorbimento delle onde, la vernice utilizzata su questi velivoli stealth ha una forma di tipo piramidale come mostrato in figura (ovviamente si intende a scale molto piccole). Questa particolare forma permette alle onde elettromagnetiche di rimbalzare all’interno della struttura piramidale cosi da dissipare energia e convertirla in calore facendo in modo che il segnale non sia riflesso all’indietro o perlomeno che venga riflesso poco verso il ricevitore.

Da ciò che è noto si può affermare che un tipico rivestimento RAM utilizzato sui velivoli è quello di utilizzare 3 strati di materiale:

• Il primo strato è necessario a sigillare le discontinuità e uniformare la superficie e favorisce l’adesione del secondo strato.
• Il secondo strato è costituito da un materiale conduttivo (presenza di elementi metallici) e ha il compito di dissipare e riflettere le onde elettromagnetiche a frequenza più bassa.
• Il terzo strato (quello più esterno) ha ruolo protettivo per gli strati interni ed è sempre costituito da elementi metallici, compiendo un ruolo simile al secondo strato, in particolare riflette le onde elettromagnetiche a frequenza più alta.

Infine è da notare che come qualunque altra vernice anche il materiale RAM tende ad usurarsi per via degli agenti atmosferisci (la pioggia per esempio). Il rischio di distacco del materiale comporta la manutenzione programmata del rivestimento esterno per velivoli non nati con ruoli stealth mentre i velivoli più nuovi sono provvisti di RAM che ha una vita simile alla vita utile dell’aereo (si stima).

Attualmente sono in sviluppo RAM che prevedano la possibilità di modificare il colore dell’intero velivolo (mimetismo attivo) in base alla situazione richiesta (anche l’osservabilità nello spettro visibile è importante). Il problema principale (al di là della difficoltà nello sviluppo) è l’ingente potenza elettrica richiesta per soddisfare l’intero sistema, cosa che gli attuali motori non sono in grado di erogare.

Modellazione della geometria

Modellando la forma del velivolo (veicolo o nave) attraverso piani netti angolati permette di deviare le onde in direzioni diverse, diminuendo cosi il riflesso all’apparecchio di provenienza.

La modellazione della geometria è considerata l’elemento determinante nella riflessione delle onde: allo stato attuale è la forma esterna che incide per (circa) il 90% nella riduzione del RCS: un elemento che può migliorare notevolmente la stealthness è la mancanza di piani di coda, come avviene in numerosi velivoli progettati con criteri stealth, o la mancanza di discontinuità (portelli, panenlli, giunzioni, variazione del materiale, ecc) che porta alla riflessione.

Nello sviluppo della geometria del velivolo stealth si ricercano un numero ridotti di direzioni di allineamento preferenziale per ridurre la riflessione in tutte le altre direzioni. Le tipiche direzioni preferenziali sono i piani di coda, i bordi di attacco e di uscita dell’ala. Inoltre, come già accennato precedentemente, a differenza di ciò che si può immaginare, il RCS maggiore si ottiene quando le onde elettromagnetiche riflettono sulla superficie laterale (e non sull’arco frontale) dal momento che la fusoliera, piani verticali ed orizzontali provocano una dispersione maggiore in tutte le direzioni.

Un esempio della particolare geometria adottata nel campo stealth è l’F-117, probabilmente il velivolo storicamente più iconico in tale campo, figlio del suo tempo: le capacità di calcolo degli elaboratori erano di gran lunga inferiori rispetto ai computer moderni, motivo per cui la geometria sviluppata (da cui le sue prestazioni aerodinamiche) risultano inficiate rispetto a velivoli più moderni come per esempio l’F-22. Generalmente è proprio per questa aspetto puramente geometrico che nell’immaginario collettivo si parla di velivolo stealth o meno.

Anche nel campo navale la Tecnologia Stealth è in fase di sviluppo. Il problema principale in questo campo è la grandezza delle navi: un radar riesce comunque ad individuare una nave nel proprio range di azione, ma, in caso di uso di materiali e geometrie adatte, la nave potrebbe essere scambiata per un piccolo mercantile o un’imbarcazione di media dimensioni piuttosto che ad una fregata o incrociatore di grandi dimensioni.

Svantaggi della Tecnologia Stealth

Anche se questi velivoli (mezzi o navi) sono avanzati, la tecnologia in uso non è invincibile. Sono presenti tante problematiche che riguardano anche altri campi non strettamente legati al contesto stealth; di seguito si riportano solo quelli più rilevanti.

• Un velivolo stealth comunque genera una firma di calore emesso dai motori e da tutta la struttura: l’aumento della velocità del velivolo comporta un aumento degli effetti resistivi dell’aria che portano ad un aumento generale della temperatura dell’intero velivolo (si può arrivare anche a 200° C oltre il Mach 1).
• I vani di bombe o missili, prese dinamiche, aperture per i cannoni, aerofreni, carrelli e carichi esterni (serbatoi, armamenti, pod di guerra elettronica o elettrottici) non sono, in generale, elementi stealth. Una volta aperti i portelli del vano armamenti, la riflessione delle onde su tutti i componenti interni è elevatissima. Eventuali forme a zig-zag dei bordi anteriori e posteriori dei portelli ha il fine di evitare le riflessioni. In particolare per ciò che concerne i missili montati sui piloni alari, essi presentano delle ogive sviluppate per essere trasparenti alle onde elettromagnetiche (oltre a presentare elementi interni schermati).

Fonti:
Defencyclopedia.com
RID N°2/2019

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