General Dynamics F 16 Fighting Falcon1 Dossier

412th Test Wing F 35 Lightning IIVoor het dossier over de vervanging van de F16, vroegen wij ons af of de stealth-capaciteit van de opvolger wel zo belangrijk is als de constructeur Lockheed Martin beweert. Vooral omdat deze capaciteit ook nadelen heeft.

Een compromis tussen niet-compatibele technieken

De eisen die wij aan een modern gevechtsvliegtuig stellen zijn niet min: snel, wendbaar, robuust, grote actieradius, hoge wapenlast, veelzijdig, betaalbaar, redelijke onderhoudskosten en… ‘stealthy’. Zelfs deze zeer rudimentaire, hoogst onvolledige lijst toont al duidelijk dat ieder design een compromis moet zijn, want die eisen zijn, op een of andere manier, allemaal onderling incompatibel.

Stel nu – zeer theoretisch, want de facto onmogelijk – dat we objectief het ‘ideaal’ compromis konden vinden, dus dé echte optimale configuratie die het volledig eisen pakket zo gunstig mogelijk invult. Zelfs in dat hypothetisch geval zou onze configuratie volgend jaar al niet meer optimaal zijn, omdat dit alles zich afspeelt in een omgeving die aan voortdurende, vrij snelle en onvoorspelbare veranderingen onderworpen is. Eigenlijk zouden we dus dit optimum over een aanzienlijk tijdsinterval moeten bepalen, wat echter niet doenbaar is gezien de relatief grote onzekerheid over toekomstige ontwikkelingen.

Het zal nu duidelijk zijn dat een vraag zoals: “Is de F35 het best mogelijke compromis?” nauwelijks redelijk beantwoord kan worden. Dat de F35 niet het beste vliegtuig is, kunnen we wel objectief vaststellen: de F22 is al operationeel en heeft alles meer en beter… behalve de prijs. Die is zo hoog dat het waarschijnlijk niet echt veel uitmaakt dat de Verenigde Staten het toestel niet eens willen verkopen.

Omwille van de prijs – die desondanks nog altijd hallucinant hoog gebleven is – zijn er bij de F35 veel meer toegevingen gedaan. Om voor de hand liggende redenen blijft de informatie die we over het toestel hebben uiterst summier. Toch kunnen we redelijk veronderstellen dat geprobeerd is bij de noodzakelijke toegevingen vooral het ‘stealth’ aspect te ontzien. Het lijkt alsof daaraan heel veel van de andere specificaties opgeofferd is, wat niet belet dat ook op dit gebied de F35 nog altijd duidelijk de mindere van de F22 blijft. De vraag “was een dergelijke sterke focus op ‘stealth’ verstandig?” is dus zeker relevant.

Wat is stealth?

Om hier verder te geraken moeten we ons een beetje met het begrip ‘stealth’ bezig houden. Wat is dan ‘stealth’? Het woordenboek zegt: ‘heimelijkheid’. Prof. Schweicher, onze Belgische autoriteit op dit gebied, gebruikt wel eens het gepaste woord ‘stiekemerd’ om een stealth vliegtuig aan te duiden. Mij bevalt de term ‘low observability’ het best: moeilijk observeerbaar dus. Want inderdaad: niets is onzichtbaar, maar we kunnen het detecteren van een toestel wel meer of minder moeilijk maken en daar gaat het om.

Het veld dat we hier bewerken is natuurlijk veel breder dan enkel maar radar. In feite gaat het er om iedere denkbare vorm van detectie te bemoeilijken. Dat omvat optische en akoestische signalen zowel als de IR-signatuur (infrarood) en de veranderingen in de atmosfeer die door de noodzakelijk geëmitteerde verbrandingsgassen, zowel als de luchtstroming rond het toestel zelf worden teweeg gebracht.

Hoewel ook de IR-signatuur een zeer belangrijke rol zal spelen, gaat hier onze aandacht toch vooral naar radar. -Radar is namelijk de meest krachtige detectiemethode die we vandaag kennen: ze werkt, van het hele gamma sensoren, over de grootste afstand. En over afstand gaat het hier, want de ‘hamvraag’ is: hoe dicht kan een toestel zijn doelwit naderen alvorens het door de tegenstander ontdekt wordt? Is die afstand klein genoeg, dan heeft de tegenstander niet meer voldoende tijd voor effectieve tegenmaatregelen. Vooral als die afstand duidelijk kleiner wordt dan de reikwijdte van de eigen detectie en bewapening, ontstaat de mogelijkheid de tegenstander uit te schakelen alvorens die zelfs maar merkt dat hij bedreigd wordt. De missie is dus duidelijk, en het werkt! Dat werd overtuigend bewezen door de Amerikaanse F-117 (Nighthawk), een toestel waarvan niemand op het eerste zicht zou geloven dat het kan vliegen; zo absurd anti-aerodynamisch ziet het er uit. In het kader van een geheim project werden er in de tachtiger jaren 64 van gebouwd. Die namen vanaf 1988 deel aan ieder conflict waar de Verenigde Staten bij betrokken waren. Vooral bij operatie ‘Desert Storm’ kraakten ze schijnbaar moeiteloos zwaar verdedigde objecten in en om Bagdad. Ze legden, onder anderen, het compleet Iraaks luchtverdedigingssysteem in puin. Tot de officiële ‘pensionering’ in 2008 ging er slechts één toestel bij een missie verloren. Het werd in 1999 boven Kosovo neergeschoten door een Servisch luchtverdedigings-bataljon. Die konden enkel daarin slagen omdat hun radar apparatuur hopeloos verouderd was! Op dit merkwaardig fenomeen komen we nog terug. Zelfs indien we incalculeren dat deze resultaten behaald werden tegen totaal verraste low-tech tegenstanders, blijven ze toch indrukwekkend.

Hoe gaat dat nu, radar om de tuin leiden? Radar is een woord zoals ‘kaas’. Er kunnen ongelofelijk veel varianten, ‘geuren en smaken’ achter schuil gaan die ontzettend gecompliceerd kunnen worden. Het basisprincipe is echter simpel. Men stuurt, via een antenne met een uitstekende directionele karakteristiek in een zo smal mogelijke bundel een elektromagnetische puls uit. Als die op een object treft wordt hij daardoor, afhankelijk van het materiaal en de geometrie, gereflecteerd indien er tussen het object en de omgevende lucht een aanzienlijk verschil in di-elektrische constante bestaat. Het teruggekaatst signaal wordt opgevangen. Daar kan dezelfde antenne voor gebruikt worden en dat heeft voordelen, maar het hoeft niet echt. Uit het tijdsverschil tussen het uitzenden van de puls en het ontvangen van de echo kunnen we de afstand tussen antenne en object berekenen. De richting kennen we in ieder geval door de stand van de antenne. We hebben nu dus een vector die precies de plaats bepaalt waar het object was toen de puls het trof. Door het verwerken van een tijdreeks van dergelijke metingen kunnen we richting en snelheid afleiden. Een paar computers verder, en we hebben een groot beeldscherm met kleurige icoontjes die allemaal vliegende objecten voorstellen met nog een hele boel bijkomende informatie er bij.

Klinkt allemaal simpel maar dat is het niet, en was het al helemaal niet in het beginstadium van de technologie tijdens de tweede wereldoorlog. Er moest eerst een volkomen nieuw type elektronenbuis worden uitgevonden: de magnetron. Anders waren die ‘waanzinnig hoge’ frequenties (30 MHz, wat wij tegenwoordig zeer laag vinden), en dan ook nog met aanzienlijke intensiteit, niet op te wekken. Naarmate de mogelijkheden van de elektronica groeiden werd de frequentie verhoogd. Dat heeft grote voordelen: de precisie en de resolutie worden hoger en de antennes kunnen kleiner worden. Dat de grootte van de antenne direct met de golflengte samen hangt moeten we onthouden: dat heeft nog zijn belang. Bovendien ontsnappen objecten die kleiner zijn dan de golflengte (bij 30 MHZ: 10 meter) aan detectie. Maar niet iedere frequentie is even geschikt. Er zijn er die die vrijwel onbruikbaar zijn, bij voorbeeld omwille van absorptie door de waterdamp in de atmosfeer. Ook voor de verschillende toepassingen zijn verschillende frequenties meer of minder geschikt. Daarom werken we met zogenaamde ‘banden’. Dat zijn frequentie intervallen die we een kenletter geven, bij voorbeeld L-band of X-band. In de praktijk gebruiken we een heel breed spectrum dat tot boven 100 GHz gaat.

Hoe kunnen we een dergelijk systeem nu verschalken?

Het is duidelijk dat we in ieder geval moeten trachten te beletten dat het weerkaatste signaal ongehinderd bij de afzender terug aankomt. Daarvoor bestaan meerdere mogelijkheden.

We kunnen zelf heftig pulsen zenden op dezelfde frequentie en ongeveer met dezelfde amplitude als het gereflecteerd signaal. Daardoor kan de radar niet meer onderscheiden tussen ‘zijn’ puls en een grote menigte ‘valse’ signalen. Dat is – natuurlijk zeer verkort – wat we ‘jamming’ noemen. Maar de tegenstander kan zich daar tegen weren door ‘frequency hopping’, dus voortdurend veranderen van frequentie. Natuurlijk gaat de ‘jammer’ dan op zijn beurt proberen deze veranderingen te volgen, maar dat kost (een klein beetje) tijd. Vooral bij phase array installaties kan dat volstaan om toch enkele pulsen ‘proper’ terug te krijgen. Bovendien maakt ‘jamming’ heel veel elektromagnetisch lawaai en verraadt minstens de richting waaruit ze komt.

We kunnen dat veel gesofisticeerder maken door pulsen terug te zenden met dezelfde frequentie en ook in dezelfde takt als het inkomend signaal, en met de amplitude van het gereflecteerde signaal, maar 180º in fase verschoven. Daardoor neutraliseren we de echo: we vlakken hem praktisch uit. We vermoeden – zonder echt de details te kennen – dat de Franse Rafale dit systeem gebruikt. Wat de F35 op dit gebied in de kast heeft weten we niet. Ook hier kan de tegenstander dan weer ‘frequency hopping’ inzetten of de puls takt veranderen of een niet-sinusoidaal signaal zenden.

We kunnen er voor zorgen dat de echo in alle mogelijk richtingen strooit, maar niet terug naar de bron. Dat kunnen we bereiken door geraffineerde ingrepen in de geometrie van het toestel. Er zijn een aantal relatief simpele regels die we kunnen volgen. De theorie was al min of meer bekend in Duitsland tijdens WO 2, en werd in de jaren 60 door de Russische fysicus Petr Ufimtsev uitvoerig geformuleerd en ook gepubliceerd: de Russen zagen daar geen militair belang in!

De Amerikanen hebben, sinds de F-117 zeer intensief van deze methode gebruik gemaakt, blijkbaar met succes. Maar… deze methode leidt tot een zeer aanzienlijke kostenstijging van het toestel. Ze legt ook beperking op die de operationele capaciteit schaden. Wapens moeten in het inwendige van het toestel worden meegevoerd. Dat leidt gedwongen tot een verkleining van de nuttige lading. Bovendien heeft ze vernietigende gevolgen voor de aerodynamische eigenschappen. Een dergelijk vliegtuig kan enkel via de computer bestuurd worden. Geen enkele piloot kan dat toestel nog ‘handmatig’ in de lucht houden. En ten slotte werkt dat bij voorkeur in één richting en tegen een systeem met één antenne direct in de vliegrichting. Er zijn dus alternatieve radaropstellingen mogelijk die deze methode verschalken.

We kunnen de puls absorberen en omzetten in warmte, zodat niets teruggekaatst wordt. Dat kan worden bereikt door speciale verven, die ofwel een zwakke elektrische geleider (b.v. koolstof) ofwel ferromagnetische deeltjes bevatten. Deze methode gebruikten de Duitsers al in hun experimentele Horten 299 aan het einde van WO 2. Men kan ook ‘structural materials’ voor de fuselage gebruiken die dergelijke stoffen bevatten, of caviteiten vormen waarin door resonantie een staande golf ontstaat die ‘zichzelf doodslaat’. Dat laatste werkt perfect. Maar daarvoor moet de lengte van de holte precies ¼ van de golflengte zijn. Dat is dus ‘iets’ tussen 1 mm en enkele meters. Dat werkt (per caviteit) maar voor één en dan nog tamelijk korte golflengte. Natuurlijk kan men wel caviteiten met een grootte-distributie vormen, maar het is duidelijk dat de mogelijkheden hier beperkt blijven. Die absorberende materialen hadden het nadeel zeer onderhouds-intensief te zijn. Dat euvel lijkt het F35 team nu succesvol overwonnen te hebben.

Te onthouden is dat al die technieken werken, maar geen enkele perfect en er zijn altijd tegenmaatregelen denkbaar. In de praktijk wordt natuurlijk een mengsel van al die methodes gebruikt.

Om de detecteerbaarheid van een object door radar te karakteriseren gebruiken we het begrip RCS (radar cross section). Dat is de doorsnede (in m2) van een hypothetische totaal reflecterende bol die bij de gegeven frequentie dezelfde echo produceert als het object in kwestie. We noemen dat ook wel eens: de ‘radar signatuur’.

412th Test Wing F 35 Lightning II

Hoe 'stealthy' is de F35?

De volgende informatie is gebaseerd op het artikel: ‘Low Observable Principles, Stealth Aircraft and Anti-Stealth Technologies’, Konstantinos Zikidis, Alexios Skondras, Charisios Tokas. Gepubliceerd in: Journal of Computations & Modelling, vol.4, no.1, 2014, 129-165 ISSN: 1792-7625 (print), 1792-8850 (online) Scienpress Ltd, 2014

 

In figuur 1. wordt de RCS van de F35, voor verschillende radar banden, en voor straling komend uit verschillende richtingen, door een kleurencode voorgesteld. Rood geeft aan vanuit welke richting het toestel goed zichtbaar is, geel beperkt zichtbaar en groen quasi onzichtbaar.

Rood betekent hoge RCS, en dus hoge detecteerbaarheid. Groen betekent zeer kleine RCS, en dus bijna onzichtbaarheid, en geel ligt daar tussen.

De verschillen tussen rood en groen zijn geen peanuts: 5 grootteordes RCS verschil!

De data komen van simulaties. Ik geloof, op grond van de gebruikte methodiek, dat ze vrij solide zijn, maar het zijn natuurlijk geen metingen. De enigen die over metingen beschikken zijn – hopelijk – de Amerikanen.

In ieder geval worden door Figuur 1 enkele dingen heel duidelijk:

De F35 is enkel tegen de S en X band en frontaal zeer goed beschermd. 
Van de zijkanten uit is het toestel in alle banden zichtbaar, en langs achter, meer beperkt, ook.
Tegen VHF is er helemaal geen bescherming.

Dat laatste was de reden voor het succes van de Serviërs die boven Kosovo een F-117 neerschoten: die hadden nog een hopeloos antieke VHF radar!

Dat betekent niet dat we die relatieve bescherming in de X-band min moeten achten: daar is inderdaad de grootste dreiging. Het is één ding een vliegtuig te detecteren, het kunnen uitschakelen is nog een heel andere zaak!

Moderne luchtdoelraketten gebruiken on-board X-band radar om het doelwit te naderen. Ze kunnen geen lagere frequenties gebruiken. Herinneren we ons het verband tussen frequentie en antenne grootte. De, voor langere golflengten, noodzakelijk grotere antennes passen niet meer in de raket! Dit is een ‘harde’ (door de fysica bepaalde) grens: niets aan te doen!

Infra Rood.

Om te zien welke opties een verdediger desondanks tegen de F35 heeft moeten we ons nu even met Infra Rood bezig houden. Een gevechtsvliegtuig is noodzakelijk een sterke warmtebron. Er zijn twee redenen. Eerstes de uitlaatgassen van de motor, die noodzakelijk heet zijn. Vooral de F35 die, met de krachtigste motor ooit, in de verbrandingskamer temperaturen van 2200º C toont, produceert, ook als de uitlaatgassen beduidend koeler zijn, enige warmte. En verder delen van de fuselage die door de wrijving met de lucht opgewarmd worden. Dat laatste fenomeen wordt natuurlijk verergerd door de slechte aerodynamica als gevolg van de geometrie die voor bescherming tegen radar afgedwongen wordt. Aan het eerste fenomeen kunnen we iets doen. We kunnen bij de verbrandingsgassen koude lucht bijmengen en zodoende de temperatuur verlagen. Maar terwijl we dat doen vergroten we de massa. We creëren dus een minder intensieve, maar daarvoor grotere warmtebron. Aan de aerodynamische opwarming kunnen we zo goed als niets doen.

IR als sensorsysteem voor luchtdoelraketten heeft een lange geschiedenis. De ‘Sidewinder’ werd in 1959 in dienst gesteld en de huidige AIM-9 is daar nog altijd een nakomeling van.

De IR detectietechnologie heeft de laatste jaren een stormachtige evolutie gekend. Denk maar aan de vooruitgang bij de digitale fotografie. Een vergelijkbare ontwikkeling met steeds grotere en gevoeliger sensoren, meer beeldpunten, meer contrast en een hogere definitiegraad heeft zich ook bij de IR technologie voorgedaan. Daardoor is de detectie ‘range’ gegroeid tot de grootteorde van enkele tientallen kilometers. Natuurlijk bestaat ook hier de mogelijkheid om te ‘jammen’, en de zon is ook een sterke warmtebron. Maar meer performante beeldverwerking maakt het steeds beter mogelijk tussen het toestel en een ‘flare’ of de zon te onderscheiden.

Welke verdediging is er tegen stealth-vliegtuigen?

Als een afweerraket voldoende snel is, zou men ze kunnen programmeren om een ‘ommetje’ te maken en het doel langs de zijkant, van waaruit het in de X-band wel zichtbaar is, te benaderen. Maar dat lijkt me werkelijk een zeer zware klus omdat de raket daardoor tijd verliest die door een hogere snelheid gecompenseerd moet worden.

Deze maatregel is mogelijk zonder grote infrastructuurinspanningen, maar daarvoor zeer moeilijk. Ik houd die kans voor gering.

Men kan, voor grootschalige supervisie van het territorium, terug VHFof zelfs HF radar gaan gebruiken. Die kan ook op zeer grote afstanden (>1000km) nog werkzaam zijn omdat hij de ionosfeer als ‘spiegel’ gebruikt, en zal ‘van boven uit’ de F35 gegarandeerd ‘zien’.

Men kan ook alternatieve radarconcepten inzetten.

Multistatic rader; een systeem met meerdere zenders en/of meerdere ontvangers. Daardoor kan de zwakke bescherming van de zijkanten van het vliegtuig geëxploiteerd worden. Hier zie ik een zware infrastructuur inspanning, maar mogelijk is het.

Passieve radar. Dit systeem heeft helemaal geen zender, maar gebruikt een netwerk van ontvangers. Er is enorm veel elektromagnetisch lawaai in de ether. Radiozenders, bakens, radar installaties allerhande… Al die signalen zijn gemoduleerd, dus identificeerbaar en herkenbaar. Ieder object in het luchtruim reflecteert al die signalen, een stealth vliegtuig ook, maar enkel niet naar de ‘stealthy’ kant. Als men nu in drie ontvangers dezelfde echo van het zelfde object opvangt kan men, door vergelijking van de signalen, heel gemakkelijk de faseverschuiving tussen die echo’s bepalen. Uit simpele triangulatie volgt dan de positiebepaling. Het probleem is de juiste signalen te identificeren en uit te filteren. Dat is een ontzaglijke hoeveelheid rekenwerk voor de computer, en tien jaar geleden zou het onmogelijk geweest zijn. Maar net zoals bij de ‘ab initio’ quantum mechanica gaat het hier om zeer grote, relatief zwak bezette matrices. We weten ondertussen hoe we dat soort problemen kunnen parallelliseren. Dus is het nu zeer wel mogelijk een dergelijk systeem op te bouwen.

Het is enkel nodig een afweerraket voldoende dicht bij het object te krijgen om via IR detectie, die met de dag probleemlozer wordt, de rest van de weg te vinden. Dat lijkt via bovenstaande maatregelen niet enkel mogelijk, maar zelfs helemaal niet echt moeilijk. Er is geen fundamenteel onderzoek meer nodig, maar wel enige ontwikkeling en een zeer substantiële infrastructuur inspanning.

Besluiten

  1. Of de F35 zijn geld waard is, is een vraag die niet beantwoord kan worden: dat kan alleen de toekomst leren.

  2. De stealth eigenschappen van de F35 zijn op dit ogenblik inderdaad een enorm, zelfs beslissend, voordeel. Dat is heel zeker.

  3. Dat voordeel zal echter met de tijd afnemen en, nog tijdens de levensspanne van het toestel, zelfs helemaal verdwijnen. Dat is ook heel zeker.

  4. De vraag is nu hoeveel tijd wetenschappelijk-technisch competente naties zoals Rusland en China zullen nodig hebben om het initiële voordel van de F35 te neutraliseren . Het blijft daarbij een open vraag hoeveel tijd Lockheed nog nodig zal hebben om de F35 inderdaad operationeel af te leveren.

  5. Door de grote vertragingen die het F35 project tot hier toe al heeft geaccumuleerd is een aanzienlijk deel van het onder #4 aangeduide ‘window of opportunity’ al verbruikt.

  6. Afhankelijk van de inschatting die men over #4 maakt kan de vraag niet meer ontweken worden of men, gezien de verwachte levensduur van de toestellen, niet beter het mechanisch/geometrisch ‘stealth’ aspect bij de keuze van een nieuw vliegtuigtype volledig buiten beschouwing laat.

Bijna alles kan in de loop van de levensspanne van een toestel aangepast of verbeterd worden. Maar de fuselage niet! Als het design daarvan, omwille van een verhoopt ‘stealth’ voordeel, dat vrij spoedig niet meer zal bestaan, andere nadelen in koop genomen heeft (bij voorbeeld, maar niet uitsluitend: de hoge kosten), blijf je daar wel mee zitten!

We kunnen niet blijven treuzelen tot de geschiedenis onze vragen voor ons beantwoordt. De problemen gaan namelijk nooit weg; ze worden enkel vervangen. Dr. W. Edwards Deming zegde ooit spottend: “It is not necessary to change. Survival is not mandatory.”

Wie interesse heeft in de politieke betekenis van deze wetenschappelijke analyse, kan deze hier lezen.