Guía infrarroja de misiles

Nuclear, químima, experimientos, proyectos fallidos o no finalizados, otros temas de interés y anecdóticos....etc.

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Tte. Rozanov
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Guía infrarroja de misiles

Mensaje por Tte. Rozanov »

Hace unos días un amigo me llamó porque tenía problemas con la verja de acceso a vehículos de su casa. El apretaba el botón del mando a distancia, escuchaba como el motor de la puerta empezaba a girar pero, inmediatamente, paraba. Le pedí que localizara esas “ventanitas” que suele haber a ambos lados de la entrada. Una vez que las encontró, le sugerí que sacara su teléfono móvil, lo pusiera en función de cámara y apuntara a estas ventanas para ver si aparecía una luz brillante que a simple vista no podía ver.

No estábamos haciendo otra cosa que detectar la emisión de infrarrojos de la barrera de luz que protege a nuestro coche de un cierre no deseado de la puerta. Pero ¿qué sentido tiene hablar de estas cosas en un lugar dedicado a la cosa militar? A nadie se le escapa que, en la actualidad, infrarrojos y defensa están ampliamente ligados. Sensores para la detección de personas y vehículos, cámaras térmicas, dispositivos de visión nocturna o en ambientes de baja visibilidad y sistemas de guía de misiles (a lo que vamos a dedicar principalmente este capítulo) funcionan en base a los rayos infrarrojos.

Los rayos infrarrojos

El estudio de los rayos infrarrojos se inicia en el primer año del siglo XIX, cuando científicos como Herschel, Abbott y Langley realizaron sus experimentos sobre los efectos caloríficos de las radiaciones electromagnéticas. Descomponiendo la luz mediante prismas y monocromadores midieron la temperatura a las distintas longitudes de onda, hallando que la temperatura se elevaba más en la zona no visible justo debajo de la franja correspondiente al rojo.

Rayos infrarrojos son aquellos comprendidos entre el rojo visible y las microondas, es decir, las radiaciones electromagnéticas cuyas longitudes de onda están entre 0,75 – 1000 μm. Estos rayos tienen una serie de características (invisibilidad, transmisión de calor, etc.) que los hace útiles en distintas aplicaciones (seguridad, medicina, etc.) pero vamos a centrarnos en aquellas que los hacen interesantes para el guiado de misiles:

- Baja energía de emisión. La radiación infrarroja se emite por la vibración de átomos y moléculas. Al ser esta vibración proporcional a la energía de dichas moléculas, se pueden diferenciar distintas zonas de un área u objeto según la naturaleza o las diferencias de calor en sus distintas zonas. Esta característica es útil para predeterminar los patrones de búsqueda de objetivos para los misiles.

- Es emitido por cualquier tipo de objeto. Visto que los infrarrojos se radian por la vibración molecular, cualquier cuerpo que supere el cero absoluto de temperatura (0º K) producirá una emisión infrarroja, siendo más intensa cuanto más se aleje del cero. Así, a temperatura ambiente, todos los cuerpos emiten infrarrojos. Esto es importante porque el sistema de guía con el que se dote al misil tendrá que distinguir entre el “ruido de fondo” (infrarrojos provenientes del aire, suelo, mar, sol, edificios, etc) de la radiación emitida por el objetivo.

- Longitud de onda larga. Los rayos infrarrojos tienen una longitud de onda mayor que las moléculas presentes en la atmósfera, lo que les hace poco sensibles a fenómenos de reflexión y difusión (por ejemplo, efectos nefelométricos) que podrían ser causa de error a la hora de la detección del objetivo. Aún así, la absorción atmosférica de infrarrojos varía con la altitud, siendo mayor en las regiones bajas de la atmósfera.

Como conclusión, la emisión infrarroja de un cuerpo dependerá de la naturaleza de su superficie y su temperatura.

Un poco de historia


El camino hasta llegar a los actuales sensores basados en semiconductores ha sido largo. Los primeros pasos se dieron con las enormes termopilas inventadas en los años 20 del siglo XIX, con las que se producía electricidad por el calor que recibía el artefacto. Por esas fechas Nobili creó el termopar, que Melloni perfeccionó y conectó varios de ellos en serie creando una termopila capaz de reaccionar ante la presencia de una persona a menos de 10 metros de distancia.

Langley, en la segunda mitad del siglo XIX inventó y desarrolló un bolómetro mediante el empleo de un bimetal, destinando este instrumento para el estudio de las radiaciones solares. Con un ejemplar de este instrumento logró detectar el calor corporal de una vaca a unos 400 metros de distancia, pudiendo considerarse esta como la primera detección de un objetivo por infrarrojos.

Los avances en física, química y electrónica trajeron nuevos inventos y materiales. La galena (sulfuro de plomo) ofreció a los investigadores de finales del XIX y principios del XX sus propiedades semiconductoras. El sencillo empleo de este mineral como detector de radio, con un consumo de energía y un volumen mucho menor que los diodos de vacío empleados en las radios de la época, hizo pensar también en su uso para la detección de los infrarrojos, hasta que llegamos a la figura de un genio olvidado, Kalman Tihanyi, inventor de una cámara termográfica y autor de una patente de 1.929 que llamó “avistamiento automático y dispositivos de dirección para torpedos, cañones y otros aparatos”, que empleaba para su funcionamiento “células eléctricas sensibles a la luz”.

Los pasos definitivos se dieron en la Alemania de la Segunda Guerra Mundial. En los últimos compases de esta guerra los ingenieros alemanes idearon una inmensa panoplia de cohetes teledirigidos para intentar combatir a las formaciones de bombarderos aliados que castigaban su suelo e industrias. Para uno de estos primitivos misiles, el Me- E4 “Enziam”, con una cabeza de guerra de 500 kg, se diseñó un sistema de guía por infrarrojos (que no llegó a portar) consistente en una cabeza de búsqueda por infrarrojos que, mediante un sistema de espejos, se orientaba hacia el objetivo, moviendo a su vez un sistema de guía parecido al de los giróscopos que gobernaban a las famosos cohetes de la serie V.

Con el final de la guerra, estos estudios alemanes acabaron en las manos de las potencias vencedoras, sumado a la necesidad de mejores armas para contrarrestar la mayor amenaza de la aviación a reacción dio un nuevo impulso al desarrollo de los misiles. En el caso de los Estados Unidos, emplearon la idea del sistema de guía del Enziam para el desarrollo del famoso misil Sidewinder.


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pepero
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Re: Guía infrarroja de misiles

Mensaje por pepero »

Por si te interesa, Triton toco el tema de los infrarrojos pero lo enfoco sobre los visores nocturnos: http://www.elgrancapitan.org/foro/viewt ... ilit=visor

Saludos
Pepe
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Tte. Rozanov
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Re: Guía infrarroja de misiles

Mensaje por Tte. Rozanov »

Detectores de IR

Del mismo modo que la energía de una molécula provoca la emisión de rayos infrarrojos estos, al chocar contra un cuerpo, le transfieren parte de su energía. Así, mediante el empleo de ciertos materiales, se pueden detectar los rayos infrarrojos emitidos por los cuerpos de nuestro entorno y diferenciarlos por su intensidad y longitud de onda.

Actualmente, se emplean semiconductores para la detección de los rayos infrarrojos. Grosso modo, estos semiconductores pueden reaccionar ante esta radiación de dos maneras: por efectos térmicos, que hacen variar la conductividad del material semiconductor (fotoconductividad), y por efectos cuánticos (fotovoltaicos) que generan una pequeña diferencia de potencial en el semiconductor que puede ser amplificada y procesada por sistemas electrónicos asociados al detector.

Una clasificación un poco más exhaustiva de los tipos de detectores quedaría así:

- Detectores cuánticos: intrínsecos, extrínsecos, fotoemisión y QWIP (Ventana Cuántica).

- Detectores térmicos: termopares, piroeléctricos, bolómetros y microbolómetros.

Como, a escala humana, la longitud de onda de los infrarrojos utilizados en la detección es muy pequeña, el tamaño de los elementos detectores (píxel) de estos rayos también lo es, pudiéndose realizar montajes (arrays, CCDs, FPAs) de millones de ellos en una superficie de tamaño reducido que puede ser fácilmente transportado a bordo de un misil. Al igual que en las cámaras destinadas a la recepción de luz visible, la cantidad de estos píxeles que constituyen el sensor determinan su resolución, siendo esta mayor cuanto más píxeles tenga. Un multiplexor realiza un barrido secuencial de los píxeles y los envía a los circuitos posteriores de procesado. La mayor o menor velocidad de este multiplexor y el tiempo de respuesta de cada píxel ante el estímulo de los IR determinarán la velocidad de refresco del sensor. A mayor velocidad, mayor fiabilidad de los datos recibidos.

Una somera comparación de las características de sensores cuánticos y termales quedaría de la siguiente manera:

- Cuánticos: Tiempo de respuesta rápido. Ancho de Banda estrecho y selectivo. Sensibilidad alta. Temperatura de trabajo: condiciones criogénicas. Coste elevado.

- Térmicos: Tiempo de respuesta lento. Ancho de Banda amplio e indefinido. Sensibilidad baja. Temperatura de trabajo: ambiente. Coste económico.

De esta comparación se desprende que los sensores más adecuados para la guía de misiles son los cuánticos, por su mayor sensibilidad, menor tiempo de respuesta y su selectividad, que permite una mayor efectividad en la distinción entre el blanco y otras fuentes de IR. Como contrapartida están su mayor coste y la necesidad de un sistema de refrigeración para la cabeza buscadora. Esta necesidad se debe a que la señal de salida de este tipo de detectores es tan pequeña que puede quedar enmascarada entre el ruido electrónico inherente al material semiconductor del que están compuestos. Crionizando este material, se anula ese ruido de fondo pudiendo distinguirse la señal de salida sin dificultad.

Este sensor se monta en un conjunto óptico para optimizar su funcionamiento. Un montaje típico sería el sistema Cassigrain que consta de:

- Filtros para evitar el paso de radiaciones no deseadas. Minimizan el ruido de fondo atmosférico y las provenientes de otras fuentes de calor ajenas al objetivo. Estos filtros pueden ser de absorción (suprimen grandes regiones del espectro, como la luz solar) y de interferencia (selectivos). Son fundamentales a la hora de evitar que el misil se dirija a los gases de salida en vez de al aparato.

- Lente de entrada. Concentra la luz en las lentes posteriores, y su angular proporciona el ancho de visión efectivo para el seguimiento del objetivo. También suele servir como cierre hermético del baffle.
Baffle. Es una cámara cerrada herméticamente en la que se ha hecho el vacío o se ha inyectado un gas inerte para evitar problemas de condensación en las lentes.

- Lente parabólica principal. Situada en el fondo del baffle recibe la luz de la lente de entrada y la concentra en la lente secundaria.

- Lente secundaria. Situada en el punto focal de la lente parabólica, recibe la luz de ésta y la refleja sobre el sensor de infrarrojos a través de una ventana en el centro de la lente parabólica principal.

Firma infrarroja de una aeronave

Uno de los principales usos de los misiles de guía infrarroja son los misiles aire-aire para combate cercano (p.ej. AIM-9), por lo que usaremos como ejemplo para el resto de aplicaciones de este tipo de guiado el caso de un avión a reacción como blanco.

Sus principales emisiones de infrarrojos partirán de:

- Motor, tanto de las cámaras de combustión, postquemador y gases de salida, como el calentamiento inducido en toberas y zonas del fuselaje que rodean al propio motor.

- Bordes de ataque de alas y timones, toberas de admisión, morro y cúpula calentados por el rozamiento con el aire, especialmente en regímenes de alta velocidad.

-Infrarrojos reflejados por las partes del avión expuestas al sol, nubes y otras fuentes exteriores a la atmósfera. Normalmente estos reflejos se producen en la parte superior del aparato, siendo especialmente potentes los reflejos producidos por la cúpula de la cabina.

- Infrarrojos provenientes de la superficie terrestre reflejados por las partes del avión expuestas a ellos (normalmente la parte inferior del aparato)

Para reducir la firma infrarroja de los aviones, los ingenieros recurren a distintas soluciones de diseño:

- Enmascaramiento de los gases de salida con un flujo de aire frío. Un ejemplo típico de esta solución son los llamativos motores del A-10. El empleo de turbofans envuelve los gases de salida en una enorme masa de aire a temperatura ambiente, reduciendo la firma infrarroja.

- Superficies menos reflectantes. Se procura el empleo de materiales y pinturas que Creflejen la menor cantidad de IR posible.

- Conformado de superficies expuestas al rozamiento. Tomas de aire y cúpulas más integradas en el fuselaje reducen significativamente el choque de estos contra el aire, reduciéndose el calor generado y, en consecuencia, la emisión de IR.

- Otras soluciones, como alejar lo más posible el chorro de gases calientes de las partes sensibles del avión, bien separando los motores del fuselaje (A-10) o bien alargando la tobera de salida, como hicieron los ingenieros israelíes en sus A-4.
Además de estas defensas pasivas, se recurre a la utilización de señuelos que emulan la emisión infrarroja del aparato (flares).

De la combinación de las fuentes de calor y las medidas adoptadas para minimizarlo, el avión resultante tendrá una emisión característica de radiaciones, llamada firma infrarroja. Este patrón será captado por el sensor infrarrojo y la termografía será tanto más precisa cuanto mejores sean las características del sensor.

Si ya de por sí los actuales sensores de infrarrojos son muy precisos a la hora de detectar, diferenciar y seguir un blanco, se puede multiplicar su potencial mediante el uso de software de tratamiento de imágenes que permiten identificar la firma infrarroja como propia de una aeronave distinguiéndola de otras posibles perturbaciones.

Finalmente, los resultados de la información obtenida y procesada se envían a los sistemas de dirección del misil, que actúa dirigiéndolo hacia las proximidades del blanco. Para ser efectivo el lanzamiento, la cabeza de guerra deberá explotar a una distancia suficientemente cercana al blanco como para inutilizarlo y uno de los riesgos a evitar es que el misil se dirija hacia el chorro de gases de salida (especialmente si se está empleando postcombustión). La combinación de los filtros de infrarrojos, sensores del ancho de banda adecuado y una espoleta de proximidad, reducen este problema.

BIBLIOGRAFIA:

- Infra red detectors, Sqn Ldr UC SHARMA

- Characteristics and use of infrared detectors. Technical information SD-12. Hamamatsu.

- Infrared Signature Studies of Aircraft and Helicopters. S. P. Mahulikar, G. A. Rao, H. R. Sonawane, and H. S. S. Prasad. Department of Aerospace Engineering, Indian Institute of Technology, Bombay, India

- An Introduction to Infrared Detectors. Dick Joyce (NOAO)

- Modern Missile Analysis. Propulsion, Guidance, Control, Seekers and Technology. Walter R. Dyer. Applied Technology Institute.

(Esta bibliografía está disponible en la red y aportan un conocimiento mucho mayor sobre el tema que el expuesto en este breve artículo. Además, dispone de gran variedad de material gráfico que puede ayudar a la comprensión de la constitución de estos dispositivos)
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Tte. Rozanov
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Re: Guía infrarroja de misiles

Mensaje por Tte. Rozanov »

pepero escribió: Por si te interesa, Triton toco el tema de los infrarrojos pero lo enfoco sobre los visores nocturnos: http://www.elgrancapitan.org/foro/viewt ... ilit=visor

Saludos
Gracias por el enlace al interesante aporte de Tritón.

Estuve tentado de haber continuado en aquél hilo, pero al final me pareció que, al enfocar el tema de los infrarrojos de una manera distinta, podría estropear un hilo que merece la pena por sí solo. Mi intención ha sido dar una visión sencilla sobre como funciona un detector de infrarrojos actual (no sé si lo he conseguido, y quizás se eche de menos un poco más de "dura teoría" para que el artículo sea más serio) que es algo diferente al de los equipos de los que trata Tritón.

Aunque el principio del funcionamiento es básicamente el mismo en visores nocturnos, cámaras, detectores etc, los sensores para misiles actuales son suficientemente sensibles como para no necesitar de la iluminación por un foco de IR (aprovechan la propia radiación del objetivo) y con los sistemas de amplificación de señales de estado sólido de hoy en día, tampoco son necesarios los voluminosos fotomultiplicadores de emisión secundaria con sus correspondientes pesadas baterías y convertidores para elevar la tensión a los miles de voltios necesarios para arrancar los electrones de sus placas.
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