Superioridade Aérea

Um estudo da General Dynamics na década de 80 identificou a furtividade como a principal característica para conseguir superioridade aérea. Os caças sempre usaram camuflagem e os pilotos de caça sempre usaram táticas furtivas.
O Estudo Red Baron, a USAF observou que no Vietnã que metade das tripulações derrubadas e cerca de 18% dos atingidos não sabiam que estavam sendo atacados. A mesma experiência aconteceu na 1GM e 2GM e Coréia. A bibliografia de ases de caça esta cheia de referência ao seu sucesso devido a habilidade de ver o oponente antes de ser visto, atacar com o sol nas costa e atacar o adversário nos seus lados cegos.
Furtividade, neste sentido, significa detectar o adversário antes que seja detectado. O termo correto se aplica aos várias materiais e técnicas que diminuem a susceptibilidade de uma aeronave de ser detectada. Tecnologia furtiva inclui tudo que minimiza a assinatura e a emissão de sinais, com o objetivo de aumentar a eficiência das contramedidas e sensores plataforma e atrapalhar ou atrasar a sua detecção e identificação pelo inimigo. O objetivo é evitar ou retardar a detecção, identificação e aquisição de alvo pelo inimigo e aumentar a capacidade de atirar primeiro da plataforma e aumentar a capacidade de sobrevivência. O principio é o mesmo dos U-Boat da IGM - disparar sem ser visto, desengajar e desaparecer. Evitar combate aproximado também é importante pois num combate curto 1x1 depende muito de sorte e outro oponente pode aparecer.
Outro fator crítico na superioridade aérea é a velocidade. A velocidade diminui o tempo de reação do inimigo e dá liberdade para engajar e desengajar se necessário. A iniciativa é sempre do combatente mais rápido. No caso das aeronaves furtivas de superioridade aérea como o ATF, a velocidade que interessa é o supercruzeiro supersônico.
Velocidade supersônica e furtividade reduzem susceptibilidade a SAM e outros caças. Quando um SAM detecta uma aeronave supersônica, com o F-22 voando alto(15 mil metros) em supercruzeiro(Mach 1.4-1.5) em território inimigo, ela sobrevoa o lançador antes que o míssil possa atingir sua altitude e o engajamento se transforma em uma perseguição por trás e o F-22 poderá facilmente se afastar do míssil ou desaparecer do radar de controle de fogo. Passar 50% do tempo em supercruzeiro de 1.5 equivale a penetrar 400 km no território inimigo em meia hora.
A furtividade atrasa a oportunidade do inimigo de disparar que acontece mais para o final do engajamento enquanto a velocidade, contra uma ameaça no solo, reduz o tempo de reação da detecção até o lançamento e reduz o alcance cinemático de mísseis antiaéreos ou artilharia antiaérea.
A única oportunidade de disparo de sucesso contra um F-22 em supercruzeiro é no quadrante frontal pois o míssil passará rapidamente para uma perseguição traseira que diminuirá sua energia rapidamente em curvas rápidas e devido a razão de linha de visada. O planejamento de missão tende a evitar que os disparos inimigos ocorram no quadrante lateral ou traseiro.
Em combates aéreos a velocidade supersônica da controle do engajamento, facilita surpreender o inimigo por trás, evita ser pego de surpresa na posição 6 horas/por trás e fica mais fácil surpreender aeronaves lentas. As armas lançadas, ar-terra ou ar-ar, tem mais energia e o alcance é aumentado. Esta vantagem permitiu cortar gastos no projeto do F-22 pois o AMRAAM tem seu alcance aumentado e também é ajudado pela furtividade que permite que o Raptor se aproxime com segurança de caça com mísseis de longo alcance. O alcance do AMRAAM aumenta em 20% se a velocidade aumenta de Mach 0,9 para 1,5.
Em 1982 a USAF simulou o uso de caças F-117 com mísseis ar-ar para atacar aeronaves AEW "Mainstay" russas. Os resultados mostraram não seria efetivo por falta de velocidade. Num conflito leste-oeste, o "Mainstay" detectaria caças OTAN voando baixo. Um ATF poderia realizar as tarefas anti-AWACS e manter a utilidade dos atuais caça bombardeiros da OTAN.
A primeira aeronave com supercruzeiro não foi o ATF. O título é do B-58 Hustler que voava em supercruzeiro mas tinha que usar PC ou mergulhar um pouco para acelerar do arrasto transônico até ir para supercruzeiro. O F-16XL, os novos modelos do F-16, o EFA-2000 Typhoon e os novos caças de 5a geração russos Mig-1.44 e Sukhoi S-37 também são capazes de atingir supercruzeiro sem PC. O YF-23 também podia voar em supercruzeiro e a furtividade e velocidade era melhor que manobrabilidade se comparado com o F-22.
A manobrabilidade é outra característica importante da superioridade aérea. Ao contrário da furtividade e supercruzeiro, a alta manobrabilidade é mais usada para táticas defensivas que ofensivas. Manobrar mais que o adversário para derrubá-lo não é uma boa tática. Um dogfight demora muito, o fator sorte é significativo e o torna susceptível a outro oponente que não o que esta engajando.
Os melhores pilotos de caça geralmente evitam dogfight sempre que possível. Manfred Von Richthofen, o famoso Barão Vermelho, foi derrubado ao violar este princípio. Os pilotos de caça geralmente operam na parte do envelope de vôo que favorece as características de manobra da sua aeronave e evitam o envelope onde o adversário leva vantagem. Ter boa manobrabilidade em todas os envelopes elimina estas considerações e aumenta a flexibilidade tática.
A manobrabilidade foi quantificada em 1960 por John Boyd na teoria energia-manobrabilidade e sua teoria foi usada no projeto do F-15 e F-16. As principais medidas de energia-manobrabilidade são a capacidade de g sustentada(habilidade de virar sem perder altitude e velocidade); g instantâneo(habilidade de virar o nariz sem afetar em muito a velocidade); e excesso de potência específica(medida da capacidade da aeronave de subir, acelerar ou girar em qualquer condição de vôo). Outro parâmetro de interesse é o tempo de aceleração transônico, por exemplo o tempo necessário para ir de Mach 0,8 até Mach 1,2. Comparando estas características de dois caças mostra qual tem vantagem tática num dogfight.
Outra característica que conta na capacidade de sobrevivência é a habilidade de operar de pistas curtas. O benefício é menos claro que furtividade, velocidade e manobrabilidade. Operar em pistas curtas de bases com pistas destruídas é outro fator que conta na capacidade de sobrevivência e num fator menor na furtividade enquanto no solo ao operar de pistas de dispersão em rodovias. O preço da STOL é alto. Esta necessidade depende da capacidade de contra ataque aéreo do inimigo(capacidade de destruir as aeronaves amigas antes que decolem) e armas destruidoras de aeronaves. Depende do número de pistas de pouso a serem destruídas para afetar a capacidade de voar e a habilidade de reparo das forças amigas de traze-las de volta a operação. Depende ainda das forças de defesas aérea e antiaérea em parar as sortidas inimigas de atingirem as bases amigas em primeiro lugar. Outro fator é bombardear a aeronave ou as pistas. Vai depende da efetividade dos abrigos reforçados e da capacidade de saber onde estão as aeronaves.
Um caça com capacidade de vôo supersônico e alta manobrabilidade tem razão peso-potência e carga alar que dá uma capacidade STOL inerente. Esta capacidade pode ser melhorada com trem de pouso reforçado para operar em pistas reparadas e reversores de empuxo. O peso destas melhorias, diminuem a razão peso-potência.
O vetoramento de empuxo(TVC) pode ser usado em decolagens curtas para levantar o nariz numa velocidade em que a cauda não conseguiria isso sozinha. O TVC permite ter uma cauda menor que permite atingir uma certa velocidade com menos arrasto e potência. O TVC também aumenta o controle em grandes ângulos de ataque durante manobras agressivas.
Conciliar estes requerimentos de superioridade aérea é muito custoso e difícil. A velocidade supersônica precisa de uma fuselagem longa e fina que vai contra a agilidade. A agilidade depende grandes asas, que é difícil de conciliar com uma asa pequena e fina para supercruzeiro, a melhor cauda é nenhuma. O armamento e o combustível interno precisa de grande volume interno que vai contra aerodinâmica de supercruzeiro.
Como já mostrado, a integração de aviônicos é importante para explorar furtividade, velocidade e sensores internos e externos. A fusão de dados deve ser feita em uma tela que alivia trabalho de monitorar varias. Os símbolos devem ter forma diferente como triângulos, quadrados e círculos para o caso do piloto usar visor anti-laser que bloqueia certas cores. O mostrador multifuncional defensivo deve mostrar o envelope dos mísseis inimigos o alcance de detecção contra a aeronave.

Os Duelos do Futuro

As operações do F-117 na operação Tempestade do Deserto demonstraram que um ataque direto em regiões altamente defendidas pode ser feita por aeronaves LO. O desempenho do F-117 demonstrou várias aplicações das aeronaves LO em uma campanha aérea conjunta.
Cenários futuros não serão idênticos. Áreas altamente defendidas podem ter mais defesas aéreas que o Iraque em 1991. Vários cenários envolverão o que poderia ser descrito como ambientes de média intensidade, onde uma mistura de mísseis SAM móveis com vários tipos de desafios. No meio disso tudo, os objetivos do ataque também podem variar no futuro.
A seguir serão ilustrados os resultados de simulação de três ambientes de ameaça no futuro. A simulação será mostrada para ilustrar como várias reduções de assinatura se tornam o fator limitante na capacidade de sobrevivência da aeronave e o planejamento da campanha aérea. Estes três cenários foram estudados usando uma versão simplificada de um modelo de defesa aérea. Cada ambiente espelha o tipo de ataque que o comandante da força conjunta pode ter que executar.

Cenários de Ataque do Futuro

• Ataque direto: simulando uma missão em uma região de defesa altamente defendida para atacar um alvo de alto valor como um centro de comando e controle ou sítio de armazenamento de armas de destruição em massa;

• Ataque tático: simula um ataque de um alvo que é parte de uma força militar de campo;

• Evitamento da Ameaça: caracteriza uma aeronave voando um rota cuidadosamente planejada ao redor dos sítios de defesa aéreo conhecido para atacar um alvo de oportunidade numa área isolada.

A simulação em si emprega um modelo a nível de missão que foca nos eventos ocorrendo com as defesas aéreas integradas. O modelo usa variáveis como as decisões tomadas pelo sistema de comando e controle, a localização e operação de SAMs, e a habilidade de vários radares em cada componente do sistema para rastrear o atacante e disparar um míssil válido. Várias variáveis foram simplificadas no sentido de extrair os resultados mostrados aqui.
Sortidas simuladas produzem um certo número de detecções válidas que podem levar ao disparo de um míssil SAM. Os gráficos mostram várias detecções como levando a um disparo válido. Uma vez disparado, a ação não pára. O modelo continua a correr e o número total de resultados de detecção que podem resultar em disparos de cada forma de assinatura no ingresso e regresso. Nenhuma atenção foi feita para acessar como vários disparos serão necessários para destruir uma aeronave ou quantos mísseis a defesa aérea possui. Ao invés disso, a simulação deve acessar a mudança relativa em detecções válidas levando a um disparo de SAM em diferente níveis de assinatura, contramedidas e táticas.
Um modo interessante de ver os dados é rastrear o "tempo de perigo" de cada forma como medida do tempo das unidades de controle de fogo iniciam o registro de disparos válidos. Cada um dos três cenários é executado em altitudes diferentes.

Cenário 1. Ataque Direto

O cenário de ataque direto fez um ataque a uma capital em 2010. Os alvos militares chaves são ligados com modernos mísseis SAM de curto e longo alcance distribuídos em camadas de um sistema de defesa aéreo integrado moderno(Integrated Air Defense System - IADS). As defesas aéreas são geralmente posicionadas para maximizar a cobertura. Apenas as regiões de maior importância militar valem o investimento de cobertura sobreposta. Onde a detecção de SAM se sobrepõem, a cobertura é muito densa para assegurar a destruição.
Para atacar, a aeronave deve penetrar até o ponto de lançamento das armas mesmo com a ameaça de SAMs vindo de todos os lados. O ambiente de ataque direto expõe a aeronave a vários radares, como pode ser esperado nestes ataques. Nos ambientes mais perigosos, uma aeronave de assinatura convencional sofrerá o alerta antecipado e sustentado de vários lados na área do alvo.
Na figura 1, a linha amarela corresponde a uma missão de ataque feita por aeronaves convencionais, não furtivas e numa altitude de 150m. Voando a missão a baixa altitude a capacidade de sobrevivência é melhorada, mas não tanto.
Na figura 1 pode se ver o desempenho da forma Pac Man num ambiente de ataque direto, em altitude baixa. Uma aeronave com assinatura Pacman, tendo furtividade apenas no aspecto frontal, passa um pouco melhor que a forma convencional. Num ponto 9 minutos depois, a detecção de radar do Pacman ainda é em torno de 10, enquanto a forma convencional tem sofrido 30 detecções. Contudo, a partir deste ponto, a razão de detecção dos dois aumenta dramaticamente, Pacman sofre mais de 50 detecções na área do alvo. Em grande altitude a história é essencialmente a mesma.

Figura 1. Ataque Direto a Baixa Altitude

A redução do RCS tipo Pacman deve ser o valor limite do planejador de campanha. Mesmo quanto a redução frontal coloca esta parte da assinatura na categoria VLO, o número de engajamentos permanece quase a de uma aeronave não furtiva. A aeronave, quando se afasta do alvo, expõe grandes áreas onde a assinatura não é reduzida.
Aeronaves que tem RCS tipo Pacman não tem uma boa chance de completar a missão. A taxa de atrito pode ser alta. Este fator torna difícil para o comandante das operações aérea enviar estas aeronaves em centros altamente defendidos. O planejador quer uma campanha aérea que foca na resposta das defesas aéreas antes de lançar um ataque direto deste tipo.
A figura 1, contudo, mostra que uma aeronave com a forma Fuzzball, com redução significativa em todas as direções, mostra um aumento notável na capacidade de sobrevivência. A forma Fuzzball tem dois efeitos. Em primeiro lugar, o tempo de exposição da aeronave diminui. Segundo, a redução da assinatura causa uma queda no número de disparos válidos. A baixa altitude, a aeronave gasta apenas 7 minutos na zona de perigo, comparado com 23 minutos para a forma convencional no mesmo cenário. A grande altitude, o tempo é de 8 e 29 minutos respectivamente.
A vantagem tática da forma Fuzzball é potencialmente enorme.
A redução frontal e traseira na forma Bowtie, especialmente a baixos níveis, aumenta muito a capacidade de sobrevivência contra cobertura SAM sobreposta. A aeronave se atira contra as defesas aéreas, só entrando na região de vulnerabilidade quando está perto do alvo. Mesmo sobre o alvo, as defesas de radar gravam apenas 10 detecções a baixa altitude e 14 a alta altitude.

Cenário 2. Ataque Tático

Ataque Tático é um cenário onde as defesas aéreas são menos densas mas onde várias sortidas serão voadas seja como parte de uma operação de paz ou como parte de ataques numa guerra.
Alguns tipos de operações aéreas são mais críticas e exigentes como os ataques as forças terrestres. Na operação Tempestade do Deserto, por exemplo, mais de 70% das sortidas voadas no teatro de operações do Kuwait(KTO) foram de ameaça de ambiente tático. O cenário de Ataque Tático postula um ambiente onde as forças em movimento também tem mísseis SA, móveis de curto alcance.
A figura 2 mostra um rastreio de engajamento de radar simulado correspondendo aos três tipos de RCS que engajam um Ataque Tático a baixa altitude(< 150m). Como pode ser visto, estes ataques de baixa altitude são estressantes para o operador de SAMs móveis. Mesmo aeronaves convencionais tem poucas detecções de radar. A forma Pacman não é substancialmente diferente da forma convencional. As aeronaves com RCS Bowtie também são difíceis de serem detectadas.

Figura 2. Ataque Tático a baixa altitude (<150 m)

A grande altitude, a detecção para aeronaves convencionais é menos numerosa que o Ataque Direto. Mesmo assim, a forma convencional é ainda engajada por muito tempo. A redução de RCS frontal se mantém indetectável até mais tarde. Após certa distância o RCS lateral e traseiro faz a aeronave vulnerável a radares de rastreio como nas formas convencionais. O contraste maior é da forma Bowtie. A detecção é mais tardia e a vulnerabilidade a disparos é mínima e o tempo de perigo é breve.
A lição evidente é que a capacidade de sobrevivência da forma Pacman's deve estar relacionada com o cenário. A redução de RCS frontal pode ser útil quando a aeronave realiza missões de supressão de defesas aérea(SEAD) para desligar de forma ativa(armas) os radares de busca e controle de fogo inimigo antes que exponham as suas formas traseira e lateral. O atrito será maior que a forma Bowtie, mas o emprego correto aumenta as chances de sucesso.
A altitude é uma variável importante. Nos ataques a baixa altitude, a capacidade de sobrevivência melhora para as formas convencionais e Pacman. Para a forma Bowtie, a altitude não faz diferença.
As operações a baixa altitude tem seus próprios perigos. Corridas a baixa altitude tem o risco de defesas AA densas com canhões anti-aéreos. No Vietnã, mais de 85% das aeronaves foram perdidas para fogo da artilharia anti-aérea(AAA). Na operação Tempestade do Deserto, o KTO ofereceu fogo AAA denso esporádico assim como disparos de SAMs portáteis(MANPADS), mesmo após a efetividade da IADS ter sido reduzida para quase zero. A vantagem das missões a baixa altitude, ou seja a menor vulnerabilidade a detecção ao radar, deve ser considerada em relação a ameaça dos canhões guiados manualmente, pequenas armas de fogo e MANPADS.

Cenário 3. Evitamento da Ameaça

No cenário de Evitamento de ameaça, aparecem resultados semelhantes. É outro cenário onde as aeronaves atacam um alvo de ponto na trilha de vôo onde minimiza deliberadamente a exposição aos radares de controle de fogo. O Evitamento de Ameaça se baseia no uso máximo de tática. Num planejamento de plano de vôo cuidadoso, a aeronave contorna os limites da cobertura dos radares. Aeronaves LO reduzem o alcance de detecção e os anéis de ameaça de mísseis SAM se encolhem fazendo o resultado pesar para o lado do atacante.
O cenário de Evitamento de Ameaça apresentam evidências convincentes que uma redução balanceada da assinatura fornece apoio a tática e ao planejamento.
A figura 3 e 4 mostra que as aeronaves convencionais e de assinatura Pacman, mesmo com planejamento de rota efetiva, ainda são engajadas várias vezes a baixa e grande altitude. Contudo, a diferença real aparece quando a simulação é estudada na forma Bowtie. Esta assinatura mostra uma grande melhora da capacidade de sobrevivência e experimentou apenas um rastreio válido.

Figura 3. Evitamento da Ameaça a baixa altitude(<150m)



Figura 4. Evitamento da Ameaça a grande altitude (8.000m)

Na forma Pacman, o que ajuda mais é voar a baixa altitude o que diminui o tempo de risco e os disparos que recebeu.
O cenário de Evitamento de Ameaça confirma que a tecnologia LO é essencial para assegurar o sucesso da missão. Na operação Tempestade do Deserto, alguns alvos puderam ser atacados a baixa altitude por aeronaves convencionais. Contudo, o fogo de AAA era um fator e a maioria dos ataques foram a média altitude. Os Tornados britânicos atacaram a baixa altitude contra os aeroportos Iraquianos e tiveram a maior taxa de perdas da guerra.
A simulação mostrou que o vôo a baixa altitude não é tão efetivo quanto a redução da assinatura, considerando o cenário, em relação a capacidade de sobrevivência. Contudo, os resultados sugerem que voando a grande altitude não evita todos os mísseis SAM, então a furtividade também é necessária neste ambiente.
Contudo, a menssagem real é que a redução do RCS permite que aeronaves planejem um rota que aumenta muito as chances de sobrevivência.