Danas se “nevidljivost” veže isključivo uz smanjenje radarskog potpisa, no to je samo jedna od mjera za “stealth”. F-117 Nighthawk prvi je operativni borbeni avion namjenski projektiran u tom smjeru

Riječ radar pokrata je od RAdio Detection And Ranging, izraza koji je smislila američka mornarica kako bi označila novo sredstvo kojim je 1940. počela opremati svoje ratne brodove. Ubrzo je pokrata postala “obična” riječ te se proširila svijetom. Kao i mnogi drugi izumi, i radar svoje prapočetke ima u XIX. stoljeću. Njemački fizičar Heinrich Rudolf Hertz (1857. – 1894.), po kojem je nazvana jedinica za mjerenje frekvencije herc, dokazao je, među ostalim, da se elektromagnetski valovi odbijaju od metalnih predmeta. No, konkretizacija njegovih zamisli bila je onemogućena zbog nedostatka tehnoloških rješenja.

Prvi uređaj koji je s pomoću radiovalova mogao otkrivati velike pokretne objekte kao što su brodovi konstruirao je njemački izumitelj Christian Hülsmeyer (1881. – 1957.). On je, doduše neuspješno, 21. studenog 1903. prijavio patent za uređaj Telemobiloscope. Prijava je prihvaćena tek godinu dana poslije kao Kaiserliche Patentamt Patentschrift 165546. Iako je uređaj u osnovi bio jednostavan, imao je sve značajke suvremenih radara, kao što je antena koja se mogla rotirati unutar 360 stupnjeva. Hülsmeyer je svoj izum prije svega namijenio regulaciji pomorskog prometa. Čak je u Kölnu 1904. osnovao tvrtku Telemobiloskop–Gesellschaft Hülsmeyer & Mannheim za njegovu komercijalnu proizvodnju. Međutim, Telemobiloscope je bio kompliciran za uporabu i često se kvario. Osim toga, njegovoj se uporabi protivila britanska tvrtka Marconi, koja je krajem XIX. i početkom XX. stoljeća dominirala tržištem radiouređaja. Potencijal Telemobiloscopea nisu prepoznale ni tadašnje oružane snage, prije svega ratne mornarice, te je naposljetku propao. Da jesu, možda bi najveća pomorska bitka Prvog svjetskog rata, ona kod Jyllanda, ima drukčiji rezultat od “neriješenog”.

Prijetnja u obliku V-1

Razvoj radara naglo se ubrzao tridesetih godina, isključivo za potencijalnu vojnu namjenu. Na razvoju radara radili su najbolji fizičari tadašnjih svjetskih velesila. Prvi operativni radarski položaj proradio je u rujnu 1938. u Ujedinjenom Kraljevstvu. U trenutku izbijanja Drugog svjetskog rata širom Velike Britanije bio je aktivan 21 radarski položaj unutar programa Chain Home. Do početka zračne Bitke za Britaniju u srpnju 1940. radarski sustav poboljšan je tako da su radari, ako su bili ispravni, mogli “vidjeti” sve do francuske obale La Manchea. Danas britanski izvori uglavnom prenaglašavaju važnost radarskog sustava u Bitki za Britaniju. Luftwaffe je vrlo rijetko napadao velike i nepokretne radarske položaje pa je vjerojatno zaključio da će njegove spore, klipnim motorima pokretane bombardere, motritelji britanskog ROC-a (Royal Observer Corps) ionako otkriti puno prije nego što dođu do ciljeva. Chain Home postao je znatno važniji tijekom 1944. i 1945. kao važan dio obrane od krstarećih projektila V-1. Za razliku od njemačkih bombardera, koji su dolazili u velikim formacijama, V-1 napadali su pojedinačno, često i noću. Kako su bili dugi tek 8,32 m, raspona krila 5,37 m i letjeli brzinom većom od 600 km/h, bilo ih je vrlo teško oboriti PZO topništvom. Iako su letjeli pravocrtno, velika brzina znatno je otežavala posao pilotima lovačkih aviona. Rano otkrivanje takvih pojedinačnih ciljeva postalo je stoga presudno.

Do sredine Drugog svjetskog rata radari su postali osnovno motrilačko sredstvo protuzračnih obrana te su razvijeni dostatno kompaktni i laki radari za ugradnju u borbene avione. Krajem rata njemački stručnjaci počinju i razvoj prvih PZO vođenih projektila s pasivnim radarskim navođenjem. Do kraja rata tehnologija izrade radara napredovala je, prije svega u pouzdanosti i dometu motrenja, a razvijeni su i brojni specijalizirani tipovi radara.

 

Kako radar radi?

Radar radi na načelu koje je teoretski jednostavno, no nije ga lako primijeniti u praksi. Riječ je o načelu aktivne radiolokacije s pomoću usmjerenih elektromagnetskih valova. Da bi se to postiglo, radar se sastoji od radioodašiljača i radioprijamnika. Iako se mogu nalaziti odvojeno (bistatički ili multistatički), u pravilu se smještaju na istu antenu (monostatički). S obzirom na to da je vrijeme prostiranja elektromagnetskih valova konstantno (brzine svjetlosti), mjerenjem protoka vremena od trenutka emitiranja do trenutka povratka određuje se udaljenost objekta od radara. Kutne koordinate objekta (azimut i/ili elevacija), određuju se iz smjera u kojem je postavljen glavni snop zračenja antene u trenutku prijma odjeka. Brzina objekta određuje se iz Dopplerova pomaka frekvencije signala odjeka u odnosu na frekvenciju odaslanog signala.

Radioodašiljač zrači elektromagnetske valove kao niz kratkih impulsa u trajanju reda veličine mikrosekunde, a impulsi se ponavljaju nakon jedne do 50 milisekundi. Između odašiljanja dvaju uzastopnih impulsa prijamnik prima odjeke koji nastaju refleksijom odašiljačkih impulsa od objekata u promatranom prostoru. Radioprijamnik je sklop koji pojačava povratni signal vrlo slabe snage i na ekranu ga prikazuje kao videosignale od kojih se formira panoramska slika određenog područja na određenom dometu. Kod monostatičkih radara antenski sklop radara uređaj je koji omogućuje ravnomjerno emitiranje u prostor impulsa supervisoke frekvencije i velike snage te prijam povratnog signala slabe snage.

Kod suvremenih radara obradu povratnog signala vrše računala tako da operater na prikazniku vidi poziciju objekta, njegovu veličinu, smjer kretanja i brzinu, a kod objekata u zraku i visinu leta. Najsuvremeniji radari mogu po odrazu detektirati i tip letjelice koju su otkrili.

 

Dizanje u zrak

Do kraja sedamdesetih godina tehnologije ugrađene u radare toliko su napredovale da su omogućile otkrivanje velikih zrakoplova na udaljenostima od više stotina kilometara uz vrlo visoku razinu pouzdanosti. Za još bolje sposobnosti počeli su se razvijati leteći radari, poznatiji pod pokratom AWACS (Airborne Warning and Control System). Tijekom Drugog svjetskog rata britanska mornarica razvijala je avione opremljene radarima kako bi povećala učinkovitost otkrivanja njemačkih podmornica, a američka mornarica kako bi se lakše nosila s japanskim kamikazama. Prvi AWACS po današnjem poimanju Lockheedov je EC-121 Warning Star. U operativnu je uporabu uveden 1954. i intenzivno korišten tijekom Vijetnamskog rata. Od 1977. počeli su ih zamjenjivati napredniji Boeingovi E-3 Sentry. Sovjetsko ratno zrakoplovstvo uvelo je 1965. u operativnu uporabu svoj prvi leteći radar, Tupoljev Tu-126, no izrađeno ih je samo 12 i nisu bili posebno učinkoviti. Znatno napredniji Beriev A-50 u operativnu je uporabu uveden 1984. godine.

Glavna je značajka letećih radara ta da mogu svoje radarske sustave podignuti na veliku visinu, što im povećava zonu motrenja daleko iza radarskog horizonta koji nastaje zbog zakrivljenosti Zemlje. Kod radara koji je postavljen na nultoj nadmorskoj visini učinak radarskog horizonta počinje već nakon 12,4 km. Podizanjem radarske antene horizont se udaljava. Ako se radarska antena podigne na visinu od 10 m, zona otkrivanja cilja koji je na visini od 25 m povećava se na 31,8 km. Zbog toga mnogi PZO raketni sustavi malog dometa imaju antene motrilačkih radara podignute na kranove. Podignete li veliku radarsku antenu na visinu od, primjerice, 10 km, zona radarskog horizonta za ciljeve na nultoj nadmorskoj visini pomaknut će se na više od 410 km. No, ako je cilj na 1000 m visine, radarski horizont pomiče se na 542 km. S porastom visine leta radara i/ili cilja pomiče se i radarski horizont. Operativni vrhunac leta E-3 Sentrya iznosi 12 500 m te mu je radarski horizont za avione veličine lovca koji lete na visini od 5000 metara na oko 752 km.

 

Traži se revolucija

Razvoj letećih radara značio je da će mogućnosti prodiranja zrakoplova na malim i vrlo malim visinama biti sve manje. Usto, golem su napredak pedesetih i šezdesetih ostvarili i PZO raketni sustavi. Sovjetska S-75 Dvina, iako stacionarna, nanijela je američkom ratnom i mornaričkom zrakoplovstvu velike gubitke tijekom Vijetnamskog rata. Oborila je 1046 zrakoplova, odnosno prouzročila 31 posto američkih gubitaka. Nju je slijedio još opasniji, pokretni 2K12 Kub (SA-6 Gainful).

Najbrži odgovor na tu prijetnju bio je razvoj naprednijih sustava za elektroničko djelovanje, koji će učinkovitije ometati radare PZO raketnih sustava. Druga mjera uključila je razvoj još učinkovitijih proturadarskih vođenih projektila.

Tijekom Drugog svjetskog rata britanski i američki teški bombarderi, koji su trpjeli teške gubitke iznad Njemačke, počeli su koristiti sustav za ometanje radara izbacivanjem “oblaka” metalnih folija. Mjera je bila uspješna, no njezin krajnji učinak bio je ponajviše psihološki za posade bombardera, kao dokaz da nadređeni rade na rješenjima za smanjenje gubitaka. Problem je bio u tome što su njemački radari ionako otkrivali velike formacije savezničkih bombardera, a ne pojedinačne avione, pa bi ometanje samo dodatno potvrdilo gdje se te formacije nalaze.

Vijetnamski rat prvi je rat u kojem je elektroničko djelovanje postalo presudno za zrakoplovne snage. Kako bi smanjili gubitke od vijetnamskog raketnog PZO-a, Amerikanci su razvili avione specijalizirane za elektroničko djelovanje – mornarica EA-6B Prowler, a zrakoplovstvo seriju aviona označenih kao Wild Weasel. Njihova jedina namjena bilo je otkrivanje i ometanje radara PZO raketnih sustava te njihovo uništavanje proturadarskim vođenim projektilima. Na taj su način uspjeli znatno smanjiti učinkovitost vijetnamskog PZO-a.

Sustavi za elektroničko djelovanje intenzivno se koriste i danas jer omogućuju da avioni s velikim radarskim odrazom djeluju u prostoru koji je snažno branjen PZO sustavima. No, američko zrakoplovstvo još je šezdesetih godina zaključilo da će pravu prevlast ostvariti samo ako razvije potpuno novu vrstu borbenih aviona. Za potencijalno ubojitu kombinaciju letećih radara i raketnih PZO sustava koji mogu obarati ciljeve na svim visinama trebalo je nešto revolucionarno novo…

 

Bezbroj kutova kugle

Razvoj tehnologija za smanjenje radarskog odraza počeo je istodobno s razvojem radara. Kako bi smanjila mogućnost otkrivanja svojih podmornica, mornarica nacističke Njemačke šnorkele je premazivala bojama i oblagala materijalima koji upijaju radarsko zračenje. Krajem Drugog svjetskog rata Amerikanci su razvili premaz MX-410, koji je mogao upijati radarske zrake i tako bitno smanjiti radarski potpis. No, sadržavao je znatnu količinu željeza i bio pretežak za uporabu na avionima. RAM (Radiation-Absorbent Material) materijali i danas su važan dio svakog zrakoplova ili broda kojem se želi smanjiti radarski potpis. Međutim, nisu dostatni da bi avion imao mali radarski potpis. Da bi se to postiglo, potrebno je oblik aviona učiniti što teže zamjetljivim za radare.

Problem oblikovanja objekta koji radar “ne vidi” teorijski je riješio Pjotr Jakovljevič Ufimcev (r. 1931.). On je početkom šezdesetih počeo teorijsku razradu načela refleksije elektromagnetskih valova od čvrstih objekata. Zaključio je da se ti valovi ponašaju jednako kao i svjetlost (koja je također oblik elektromagnetskog vala), te da se njima može jednako upravljati. Kao najvažniju značajku vala Ufimcev je naveo pravilo da će se val od čvrstog objekta odbiti u suprotnom smjeru pod jednakim kutom pod kojim je udario o njega. Ufimcev je kao objekt s idealno velikim radarskim odrazom naveo sferu (kuglu) jer ona ima neograničen broj kutova. Stoga, kad radarska zraka udari o sferu, određena će se količina pod pravim kutom odbiti ravno natrag prema radaru, što je čini radarski zamjetljivom iz svih kutova. Za razliku od sfere, ravnu površinu radar nabolje zamjećuje ako je obasjava pod kutom od 90 stupnjeva. Svakim smanjenjem ili povećanjem tog kuta sve manje se elektromagnetskog vala odbija natrag prema radarskoj anteni, čime se smanjuje učinkovitost radara. Taj je teorijski postulat danas poznat kao fizikalna teorija difrakcije.

Ufimcev je 1962. svoje zaključke objavio u knjizi “Metoda rubnog vala u fizikalnoj teoriji difrakcije”. Činjenica da su sovjetske sigurnosne službe dopustile slobodnu prodaju knjige pokazuje da vjerojatno nisu shvaćale njezinu važnost. To je iskoristio SAD pa su službe njegova zrakoplovstva 1971. prevele knjigu na engleski. Knjiga će postaviti temelje američkom razvoju tehnologija oblikovanja predmeta niskog radarskog potpisa. Na njezinim je teorijskim osnovama Lockheedov matematičar Denys Overholser (r. 1939.) razvio računalni program Echo 1, koji je omogućio izradu simulacija razina radarskog potpisa aviona s obzirom na oblik. Zahvaljujući njemu, Lockheedovi će stručnjaci ubrzo otkriti da se radarski odraz znatno smanjuje povećanjem broja ravnih površina postavljenih pod različitim kutovima. Taj će postupak nazvati facetizacija (po faceti dijamanta).

 

Nehotični “stealth”

Zanimljivo je da su prvi uspješni pokušaji razvoja aviona sa smanjenim radarskim odrazom ostvareni puno prije Ufimcevljeve knjige. Braća Walter (1913. – 1998.) i Reimar Horten (1915. – 1994.) bili su veliki zaljubljenici u zrakoplovstvo pa su, usprkos nedostatku formalnog obrazovanja, postali projektanti letjelica i 1933. konstruirali svoju prvu jedrilicu. Bez sveučilišnih diploma nisu mogli dobiti zaposlenje u renomiranim tvrtkama pa su se okrenuli eksperimentalnim avionima. Ubrzo su postali najveći stručnjaci na području teorije i prakse letećeg krila. Njihov je najuspješniji projekt eksperimentalni avion (danas bismo rekli demonstrator tehnologija) Horten H.IX, naknadno označen kao Ho 229. Bilo je to prvo leteće krilo pogonjeno turbomlaznim pogonom. Novac za razvoj Ho 229 odobren je tek 1943. na osnovi tzv. programa 3 x 1000 (laki bombarder nosivosti 1000 kg, doleta 1000 km i brzine 1000 km/h). Za pogon je odabran Junkersov turbomlazni motor Jumo 004B. Trošio je puno goriva pa niti jedan projekt s klasičnim pristupom trup-krila-rep ne bi mogao ostvariti 3 x 1000 zahtjeve. Braća Horten uspjela su uvjeriti vodstvo Luftwaffea i Ministarstva zrakoplovstva da će njihov koncept te zahtjeve ispuniti. Optimizam se prije svega temeljio na činjenici da leteće krilo u odnosu na klasični avion stvara tijekom leta znatno manji otpor zraka. Manji otpor značio je veću brzinu uz jednak potisak motora i/ili manju potrošnju goriva. Danas mnogi autori pokušavaju dokazati kako je Ho 229 namjenski projektiran kako bi imao mali radarski odraz, no to nije istina. Braća Horten nisu to ni namjeravala, a i da jesu, u to vrijeme nije bilo dovoljno teorijskog znanja.

Razvoj Ho 229 nikad nije dovršen. Prvi je prototip H.IX V1 bio bez pogona (u osnovi jedrilica), i s fiksnim stajnim trapom. Kako bi se razvoj ubrzao, projekt je preuzela tvrtka Gothaer Waggonfabrik. Prototip H.IX V2, opremljen turbomlaznim motorima Jumo 004, prvi je put poletio 2. veljače 1945., no 16 dana poslije uništen je u nesreći. Rat je uskoro završio i razvoj je obustavljen. Američke snage otkrile su prototip H.IX V3 i u kolovozu 1945. prebacile ga u SAD, no po svemu sudeći nikad nije testiran u zraku. Razlog je bio što su njemački turbomlazni motori koristili aksijalne kompresore te su bili puno uži od britansko-američkih, koji su koristili centrifugalne. Zbog toga Amerikanci nisu imali pogodne motore koji bi stali u iznimno uzak trup Ho 229.

Američkim je zrakoplovnim stručnjacima 1944. i 1945. godine i strelasto krilo bilo teško razumljivo pa im je Ho 229 bio potpuna nepoznanica. Stoga se nisu ni potrudili braću Horten prebaciti u SAD kako bi iskoristili njihovo znanje. Jedina osoba koja je mogla shvatiti ideju Ho 229 bio je John “Jack” Northrop (1895. – 1981.), američki projektant koji je karijeru posvetio letećim krilima i u tom smjeru razvijao prototipove strateških bombardera YB-35 i YB-49. No, kako je radarska tehnologija bila u povojima, američko zrakoplovstvo tomu nije pridavalo veću pozornost. (opširnije v. “Northrop YB-49 – slomljeno leteće krilo”, HV 577).

 

Tajni projekt Lampyridae

Tek će dvadesetak godina poslije, zahvaljujući spomenutom računalnom programu Echo 1, projektanti Lockheedova tajnog odjela Skunk Works uspjeti razviti prvi namjenski borbeni avion vrlo niskog radarskog odraza – F-117 Nighthawk. Njegova je glavna značajka velik broj ravnih površina – faceta – koje su tako postavljene da odbijaju radarske zrake što dalje od radara. Pri projektiranju posebna je pažnja posvećena prednjem dijelu aviona jer su Lockheedovi projektanti i stručnjaci USAF-a zaključili da će tijekom borbenih operacija najveća opasnost dolaziti od radara smještenih na zemlji (motrilačkih i unutar PZO sustava). S gledišta aerodinamike, za konstruktore je facetizacija “noćna mora” zato što znatno povećava otpor zraka i nestabilnost u zraku. Ipak, nestabilnost je riješena računalnim sustavom za nadzor leta (fly-by-wire), a povećani otpor zraka ograničenjem krstareće brzine na oko 900 km/h. Iako nosi oznaku F (fighter), Nighthawk je bio “punokrvni” jurišnik, bez imalo mogućnosti za zračnu borbu. Uspješno je korišten u brojnim borbenim operacijama (prema procjeni više od dvije tisuće). Pritom je izgubljen tek jedan avion – oboren 27. ožujka 1999. iznad Jugoslavije. Svi su F-117A službeno povučeni iz operativne uporabe 2008. godine, iako još uvijek dolaze nepotvrđene vijesti da i dalje operativno djeluju u tajnim misijama.

Savezna Republika Njemačka pokrenula je sredinom sedamdesetih godina razvoj lovačkog aviona vrlo malog radarskog potpisa. Tvrtka Messerschmitt-Bölkow-Blohm (MBB) razvila je projekt Lampyridae, koji je također primijenio načelo facetizacije. Njemačka vlada držala je projekt u potpunoj tajnosti do 1987., no obustavljen je nedugo nakon toga. Ni danas se sa sigurnošću ne zna razlog obustave, no kao najčešći razlog (navodi ga i poznati časopis Aviation Week), spominje se pritisak SAD-a, koji se bojao da bi planovi mogli dospjeti u ruke istočnonjemačkih i sovjetskih špijuna.

Prvi izvoz iz SAD-a

S povećanjem kapaciteta računala i poboljšanjem računalnih programa američki su projektanti dobili i mogućnost izračunavanja zaobljenih površina koje i dalje zadržavaju nisku razinu radarskog odraza. To je prvi put iskorišteno u razvoju bombardera B-2. Projektiran je za djelovanje sa srednjih visina te da podjednako bude “nevidljiv” i za radare pozicionirane na zemlji i za one u zraku. Da bi radarski potpis bio što manji, intenzivno su korišteni i materijali koji upijaju radarsko zračenje. Točan sastav RAM materijala jedna je od najbolje čuvanih tajni. Ono što se zna jest da upijaju radarske zrake te ih pretvaraju u toplinu (slično kako rade mikrovalne pećnice). Teoretski, RAM materijal sastoji se od nekoliko slojeva. Prvi propušta radarske zrake. Potom zrake nailaze na sloj koji ih odbija i pritom upija njihovu energiju. Kako bi lom radarskih zraka bio što učinkovitiji, taj je sloj oblikovan kao pčelinje saće (heksagon). Sa svakim odbijanjem energija radarske zrake dodatno slabi. Kako bi se spriječio izlazak energije iz saća, ulaz je s unutarnje strane pokriven materijalom koji propušta radarsko zračenje prema unutra, ali ne dopušta prodor van. Prvi su RAM materijali bili vrlo osjetljivi na vremenske prilike te ih je bilo teško i skupo održavati. Taj je problem navodno riješen novom generacijom materijala razvijenih za višenamjenski borbeni avion F-35 Lightning II. To je prvi borbeni avion sa smanjenim radarskim odrazom koji SAD prodaje stranim kupcima. Za razliku od F-117A, B-2, pa čak i F-22 Raptora, kod F-35 primijenjen je postupak optimiziranog “stealtha” čije značajke nisu primijenjene kako bi Lightning bio potpuno “nevidljiv” za radare (to je tehnički još uvijek teško ostvarivo), nego kako bi znatno smanjile učinkovitost radara i povećale zone sigurnog djelovanja za avion. Zbog toga je posebna pažnja pri projektiranju stavljena na povećane “stealth” značajke prednjeg dijela aviona, otprilike do napadnih rubova krila, tj. dijelova koji su tijekom napada najviše izloženi radarskom zračenju. Ostatak aviona presvučen je RAM materijalima. Krajnji je cilj bio smanjenjem radarskog potpisa smanjiti učinkovitost motrenja protivničkih radara kako bi se povećale zone sigurnog djelovanja do te mjere da se ciljevi na zemlji mogu napadati dalekometnim projektilima zrak-zemlja kao što su AGM-158 JASSM (dometa 370 km).

Mario GALIĆ