Furtividade de plasma (em inglês: plasma stealth) é um processo proposto que utiliza gás ionizado (plasma) para reduzir a secção reta radar (Radar Cross-Section - RCS) de uma aeronave. As interações entre a radiação eletromagnética e o gás ionizado têm sido extensivamente estudadas para diversos fins, incluindo ocultar aeronaves do radar como uma forma de tecnologia furtiva. Vários métodos podem ser plausivelmente capazes de formar uma camada ou nuvem de plasma ao redor de um veículo para desviar ou absorver ondas de radar, desde simples descargas eletrostáticas ou de radiofrequência até descargas laser mais complexas. Teoricamente, é possível reduzir a RCS desta forma, mas na prática pode ser muito difícil fazê-lo. Foi noticiado que alguns mísseis russos, por exemplo, os mísseis 3M22 Zircon (SS-N-33) e Kh-47M2 Kinzhal, fazem uso de furtividade de plasma.
Primeiras alegações Em 1956, Arnold Eldredge, da General Electric, apresentou um pedido de patente para um "Método e Aparelho de Camuflagem de Objetos", que propunha a utilização de um acelerador de partículas numa aeronave para criar uma nuvem de ionização que iria "...refratar ou absorver os feixes de radar incidentes". Não é claro quem financiou este trabalho ou se foi prototipado e testado. A Patente dos EUA 3.127.608 foi concedida em 1964. Durante o Projeto OXCART, relativo à operação do avião de reconhecimento Lockheed A-12, a CIA financiou uma tentativa para reduzir a RCS dos cones de entrada de ar do A-12. Conhecido como Projeto KEMPSTER, este utilizava um gerador de feixe de eletrons para criar uma nuvem de ionização em frente a cada entrada de ar. O sistema foi testado em voo, mas nunca foi implementado em A-12 ou SR-71 operacionais. O A-12 tinha também a capacidade de usar um aditivo de combustível à base de césio chamado "A-50" para ionizar os gases de escape, bloqueando assim a reflexão das ondas de radar no quadrante da popa e nos tubos de escape dos motores. O césio era utilizado por ser facilmente ionizado pelos gases de escape quentes. O físico de radar Ed Lovick Jr. afirmou que este aditivo salvou o programa A-12. Em 1992, o Hughes Research Laboratory conduziu um projeto de investigação para estudar a propagação de ondas eletromagnéticas num plasma não magnetizado. Foi utilizada uma série de descarregadores de alta tensão para gerar radiação UV, o que cria plasma através de fotoionização num guia de ondas. Cúpulas de mísseis (radomes) cheias de plasma foram testadas numa câmara anecoica para atenuação da reflexão. Por volta da mesma altura, R. J. Vidmar estudou a utilização de plasma à pressão atmosférica como refletores e absorvedores eletromagnéticos. Outros investigadores estudaram também o caso de uma placa de plasma magnetizada não uniforme. Apesar da aparente dificuldade técnica de desenhar um dispositivo de furtividade de plasma para aviões de combate, há alegações de que um sistema foi oferecido para exportação pela Rússia em 1999. Em janeiro de 1999, a agência de notícias russa ITAR-TASS publicou uma entrevista com o Doutor Anatoli Koroteyev, diretor do Centro de Pesquisa Keldysh (Instituto de Investigação Científica da FKA para Processos Térmicos), que falou sobre o dispositivo de furtividade de plasma desenvolvido pela sua organização. A alegação foi particularmente interessante face à sólida reputação científica do Dr. Koroteyev e do Instituto de Processos Térmicos, que é uma das principais organizações de investigação científica do mundo no campo da física fundamental. O Journal of Electronic Defense noticiou que a "tecnologia de geração de nuvem de plasma para aplicações furtivas" desenvolvida na Rússia reduz a RCS de uma aeronave por um fator de 100 (20 dB). De acordo com este artigo de junho de 2002, o dispositivo de furtividade de plasma russo foi testado a bordo de um caça-bombardeiro Sukhoi Su-27IB. O Jornal noticiou também que pesquisas semelhantes sobre aplicações de plasma para a redução da RCS estão a ser levadas a cabo pela Accurate Automation Corporation (Chattanooga, Tennessee) e pela Old Dominion University (Norfolk, Virgínia) nos EUA; e pela Dassault Aviation (Saint-Cloud, França) e pela Thales (Paris, França).
O plasma e as suas propriedades
Um plasma é uma mistura quase neutra (a carga elétrica total é próxima de zero) de iões (átomos que foram ionizados, possuindo assim uma carga elétrica líquida positiva), eletrons e partículas neutras (átomos ou moléculas não ionizados). A maioria dos plasmas é apenas parcialmente ionizada; na verdade, o grau de ionização de dispositivos de plasma comuns, como lâmpadas fluorescentes, é bastante baixo (menos de 1%). Quase toda a matéria no universo é plasma de densidade muito baixa: sólidos, líquidos e gases são invulgares longe de corpos planetários. Os plasmas têm muitas aplicações tecnológicas, desde a iluminação fluorescente ao processamento de plasma para o fabrico de semicondutores. Os plasmas podem interagir fortemente com a radiação eletromagnética: é por isso que os plasmas podem plausivelmente ser usados para modificar a assinatura de radar de um objeto. A interação entre o plasma e a radiação eletromagnética depende fortemente das propriedades e parâmetros físicos do plasma, mais notavelmente da temperatura dos eletrons e da densidade do plasma.
Frequência característica do plasma eletrónico, a frequência com que os eletrons oscilam (oscilação de plasma):
ω
p e
= ( 4 π
n
e
e
2
/
m
e
)
1
/
2
= 5.64 ×
10
4
n
e
1
/
2
rad/s
= 9000 ×
n
e
1
/
2
Hz
{\displaystyle \omega _{pe}=(4\pi n_{e}e^{2}/m_{e})^{1/2}=5.64\times 10^{4}n_{e}^{1/2}{\mbox{rad/s}}=9000\times n_{e}^{1/2}{\mbox{Hz}}}
Os plasmas podem ter uma vasta gama de valores, tanto em temperatura como em densidade; as temperaturas do plasma variam entre valores próximos do zero absoluto e bem acima de 109 kelvins (por comparação, o volfrâmio derrete a 3700 kelvins), e o plasma pode conter menos de uma partícula por metro cúbico. A temperatura dos eletrons é geralmente expressa em eletron-volts (eV), e 1 eV equivale a 11.604 K. A temperatura e densidade comuns do plasma em tubos de luz fluorescente e processos de fabrico de semicondutores rondam alguns eV e 109-12 por cm3. Para um amplo leque de parâmetros e frequências, o plasma é eletricamente condutor e a sua resposta a ondas eletromagnéticas de baixa frequência é semelhante à de um metal: um plasma simplesmente reflete a radiação de baixa frequência incidente. Baixa frequência significa que é inferior à frequência característica do plasma de eletrons. A utilização de plasmas para controlar a radiação eletromagnética refletida por um objeto (Furtividade de plasma) é viável a uma frequência adequada, onde a condutividade do plasma lhe permite interagir fortemente com a onda de rádio recebida, podendo a onda ser absorvida e convertida em energia térmica, refletida ou transmitida, consoante a relação entre a frequência da onda de rádio e a frequência característica do plasma. Se a frequência da onda de rádio for inferior à frequência do plasma, ela é refletida. Se for superior, é transmitida. Se estas duas forem iguais, ocorre ressonância. Há também outro mecanismo onde a reflexão pode ser reduzida. Se a onda eletromagnética passar através do plasma e for refletida pelo metal, e a onda refletida e a onda recebida tiverem aproximadamente a mesma potência, poderão formar dois fasores. Quando estes dois fasores têm fase oposta, podem cancelar-se mutuamente. Para obter uma atenuação substancial do sinal de radar, a placa de plasma necessita de espessura e densidade adequadas. Os plasmas suportam uma ampla variedade de ondas, mas para plasmas não magnetizados, as mais relevantes são as ondas de Langmuir, que correspondem a uma compressão dinâmica dos eletrons. Para plasmas magnetizados, podem ser excitados muitos modos de ondas diferentes que poderiam interagir com a radiação nas frequências de radar.
Absorção da radiação EM Quando as ondas eletromagnéticas, como os sinais de radar, se propagam para dentro de um plasma condutor, os iões e os eletrons são deslocados em resultado da variação dos campos elétricos e magnéticos ao longo do tempo. O campo da onda confere energia às partículas. Em geral, as partículas devolvem à onda uma parte da energia que adquiriram, mas alguma energia pode ser permanentemente absorvida como calor através de processos como a dispersão ou a aceleração ressonante, ou transferida para outros tipos de ondas devido a uma conversão de modo ou a efeitos não lineares. Em princípio, um plasma pode absorver toda a energia de uma onda que entra, sendo esta a chave da furtividade de plasma. Contudo, a furtividade de plasma implica uma redução substancial da RCS de uma aeronave, tornando-a mais difícil (mas não necessariamente impossível) de detetar. O simples facto de um radar detetar uma aeronave não garante a solução de pontaria precisa necessária para a intercetar ou atacá-la com mísseis. A redução da RCS resulta também numa diminuição proporcional do alcance de deteção, permitindo que uma aeronave se aproxime mais do radar antes de ser detetada. A questão central aqui é a frequência do sinal recebido. Um plasma refletirá simplesmente ondas de rádio abaixo de uma certa frequência (frequência característica do plasma de eletrons). Este é o princípio básico dos rádios de ondas curtas e das comunicações de longo alcance, porque os sinais de rádio de baixa frequência fazem ricochete entre a Terra e a ionosfera e podem assim percorrer longas distâncias. Os radares de alerta precoce trans-horizonte (over-the-horizon) utilizam estas ondas de rádio de baixa frequência (normalmente abaixo de 50 MHz). No entanto, a maioria dos radares militares aéreos e de defesa aérea opera nas bandas VHF, UHF e de micro-ondas, cujas frequências são superiores à frequência característica de plasma da ionosfera. Por isso, as micro-ondas podem penetrar a ionosfera, o que demonstra a viabilidade da comunicação entre o solo e os satélites de comunicação. (Algumas frequências podem penetrar a ionosfera). O plasma que rodeia uma aeronave pode ser capaz de absorver a radiação que chega e, por conseguinte, reduzir a reflexão do sinal por parte das peças metálicas do avião: a aeronave tornar-se-ia efetivamente invisível aos radares a longa distância, devido à fraqueza dos sinais recebidos. Um plasma também poderia ser usado para modificar as ondas refletidas e confundir o sistema de radar do adversário: por exemplo, a alteração de frequência da radiação refletida frustraria a filtragem Doppler e poderia tornar a radiação refletida mais difícil de distinguir do ruído. O controle das propriedades do plasma, como a densidade e a temperatura, é importante para o funcionamento de um dispositivo de furtividade de plasma. Pode ser necessário ajustar dinamicamente a densidade, a temperatura ou combinações de ambas, bem como o campo magnético do plasma, para anular com eficácia diferentes tipos de sistemas de radar. A grande vantagem que a furtividade de plasma possui em relação às técnicas tradicionais de furtividade de radiofrequência, tais como a geometria de baixa observabilidade e a utilização de materiais absorventes de radar, reside no facto de o plasma ser sintonizável e de banda larga. Perante um radar de salto de frequência, é possível, pelo menos em princípio, alterar a temperatura e a densidade do plasma para lidar com a situação. O maior desafio é gerar uma área ou volume extenso de plasma com boa eficiência energética. A tecnologia de furtividade de plasma enfrenta também diversos problemas técnicos. Por exemplo, o próprio plasma emite radiação eletromagnética, embora o seu espectro seja geralmente fraco e semelhante a ruído. Além disso, o plasma leva algum tempo a ser reabsorvido pela atmosfera e uma cauda de ar ionizado seria criada atrás da aeronave em movimento, mas presentemente não existe qualquer método para detetar este tipo de cauda de plasma a longa distância. Em terceiro lugar, os plasmas (como as descargas luminescentes ou as luzes fluorescentes) tendem a emitir um brilho visível, algo incompatível com o conceito geral de baixa observabilidade. Por fim, mas não menos importante, é extremamente difícil produzir um plasma absorvedor de radar à volta de uma aeronave inteira que se desloque a alta velocidade, pois a energia elétrica necessária é imensa. No entanto, é ainda possível conseguir uma redução substancial da RCS de um avião gerando plasma absorvedor de radar em torno das superfícies mais refletoras do aparelho, tais como as pás das ventoinhas do motor turborreator, as entradas de ar do motor, os estabilizadores verticais e a antena de radar a bordo. Têm sido realizados vários estudos computacionais sobre técnicas de redução da secção reta de radar baseadas em plasma, utilizando simulações tridimensionais no domínio do tempo por diferenças finitas. Chung estudou a alteração da secção reta de um cone metálico quando coberto com plasma, um fenómeno que ocorre durante a reentrada na atmosfera. Chung simulou a secção reta de radar de um satélite genérico, bem como a secção reta de radar quando este é coberto com cones de plasma gerados artificialmente.
Trabalho teórico com o Sputnik Devido às óbvias aplicações militares do assunto, existem poucos estudos experimentais facilmente disponíveis sobre o efeito do plasma na secção reta radar (RCS) das aeronaves, mas a interação do plasma com as micro-ondas é uma área bem explorada da física de plasmas em geral. Os textos de referência padronizados de física de plasmas são um bom ponto de partida e costumam dedicar algum tempo à propagação de ondas nos plasmas. Um dos artigos mais interessantes sobre o efeito do plasma na RCS das aeronaves foi publicado em 1963 pelo IEEE. O artigo intitula-se "Radar cross sections of dielectric or plasma coated conducting spheres and circular cylinders" (Transações do IEEE sobre Antenas e Propagação, setembro de 1963, pp. 558-569). Seis anos antes, em 1957, os soviéticos tinham lançado o primeiro satélite artificial. Ao tentar rastrear o Sputnik, notou-se que as suas propriedades de dispersão eletromagnética eram diferentes do que se esperava de uma esfera condutora. Isto devia-se ao facto de o satélite viajar no interior de uma concha de plasma: a ionosfera. A forma simples do Sputnik serve de ilustração ideal do efeito do plasma na RCS de um avião. Naturalmente, um avião teria uma forma muito mais elaborada e seria feito de uma maior variedade de materiais, mas o efeito básico deveria permanecer o mesmo. No caso de o Sputnik voar através da ionosfera a alta velocidade e estar rodeado por uma camada de plasma natural, existem duas reflexões de radar distintas: a primeira a partir da superfície condutora do satélite e a segunda a partir da camada de plasma dielétrica. Os autores do estudo descobriram que uma camada dielétrica (plasma) pode diminuir ou aumentar a área de eco do objeto. Se qualquer uma das duas reflexões for consideravelmente maior, então a reflexão mais fraca não contribuirá muito para o efeito global. Os autores afirmaram também que o sinal eletromagnético que penetra a camada de plasma e reflete na superfície do objeto perderá intensidade enquanto viaja através do plasma, tal como foi explicado na secção anterior. O efeito mais interessante observa-se quando as duas reflexões são da mesma ordem de grandeza. Nesta situação, as duas componentes (as duas reflexões) serão adicionadas como fasores e o campo resultante determinará a RCS global. Quando estas duas componentes estão desfasadas em relação uma à outra, ocorre o cancelamento. Isto significa que, nestas circunstâncias, a RCS torna-se nula e o objeto fica completamente invisível ao radar. É imediatamente percetível que efetuar aproximações numéricas semelhantes para a forma complexa de uma aeronave seria difícil. Isso exigiria um grande conjunto de dados experimentais para a fuselagem específica, propriedades do plasma, aspetos aerodinâmicos, radiação incidente, etc. Em contraste, os cálculos originais discutidos neste artigo foram efetuados por um pequeno número de pessoas num computador IBM 704 construído em 1956, sendo que, na época, este era um assunto novo com muito poucos antecedentes de investigação. A ciência e a engenharia mudaram de tal forma desde 1963 que as diferenças entre uma esfera metálica e um caça moderno empalidecem em comparação. Uma aplicação simples da furtividade de plasma é a utilização do plasma como antena: os mastros metálicos das antenas apresentam frequentemente grandes secções retas de radar, mas também se pode utilizar como antena um tubo de vidro oco cheio de plasma de baixa pressão, que é totalmente transparente ao radar quando não está a ser utilizado.
Ver também Tecnologia furtiva Camuflagem ativa
Referências