El submarino siempre ha constituido un arma "clandestina", que permanecía inmune a la detección visual o por radar siempre que no, saliera a la superficie. De todas formas, durante varias décadas, los submarinos se veían en la necesidad de emerger a la superficie para cargar baterías, estando entonces expuestos a la detección y ataque desde el aire. Fueron numerosas las medidas que tomaron ambas partes, así p.ej. se procuraban cargar las baterías de noche para evitar al menos una detección visual.
En este artículo, el autor trata las diferentes características entre los métodos activos y pasivos para la detección submarina, concluyendo que a pesar de que cada época ha contado con la preferencia de uno de ellos, es innegable que son precisos los avances en ambos para mantener la paz con desarrollos potenciales dentro del diseño de submarinos.
El submarino siempre ha constituido un arma "clandestina", que permanecía inmune a la detección visual o por radar siempre que no, saliera a la superficie.
De todas formas, durante varias décadas, los submarinos se veían en la necesidad de emerger a la superficie para cargar baterías, estando entonces expuestos a la detección y ataque desde el aire. Fueron numerosas las medidas que tomaron ambas partes, así p.ej. se procuraban cargar las baterías de noche para evitar al menos una detección visual. La introducción de radares aéreos condujo al equipamiento con receptores de intercepción para alertar al submarino y que este pudiera sumergirse antes de ser detectado. La llegada del snorkel fue seguida por los radares aéreos de elevada discriminación para poder detectarlos a pesar de las olas superficiales; el camuflaje del snorkel ante radares dió paso a los "rastreadores" aéreos con el fin de detectar el trayecto del submarino. Estos avances recíprocos de sistemas pasivos o activos y de las contramedidas correspondientes podrían definir todavía los principios que hoy en día se siguen manteniendo. Para enfrentarse a los sistemas pasivos, el submarino debería ser diseñado de modo que se diferenciara lo menos posible de su medio; contra los activos, se dispondrá de receptores de intercepción que ofrezcan una alerta suficiente para la contramedida.
De cualquier forma, sigue permaneciendo como primordial la necesidad de detectar submarinos sumergidos, todavía más con la llegada de la propulsión nuclear, que permite a estos un tiempo de inmersión mucho mayor. Todos los métodos que se basen en sonidos submarinos tienen como fin principal la detección; en este artículo se prestará gran atención al estudio comparativo de las características de los sonares pasivos y activos; se enfrenta exclusivamente con el problema de la detección inicial y no, p.ej., con la detección subsiguiente exigida en el caso de armas filodirigidas, en cuyo caso la gran variedad de parámetros precisa de un balance completamente distinto entre métodos pasivos y activos a la vez que entre acústicos y no acústicos.
Sonares pasivos
Un sonar pasivo emplea un sistema hidrofono submarino para detectar los sonidos emitidos por un submarino distante. Estos sonidos pueden provenir de una gran variedad de fuentes. Las vibraciones de la maquinaria se transmiten a través de la estructura de la embarcación, siendo emitida finalmente a través del casco. Las maquinarias oscilantes, tales como los motores diesel o ciertos tipos de bombas, producirán series regulares de impulsos cuyo espectro sonoro se caracteriza por la armonía de la frecuencia de impulsos. Por el contrario, las rotatorias, tales como motores eléctricos, se reconocerán por una menor armonía y la emisión de otras frecuencias como p.ej. de la estructura polar. Las maniobras también pueden producir sonidos, tanto al moverse los árboles como el engranaje de los dientes.
Los sonidos de "oquedades" proceden de pequeñas cavidades formadas en el agua en las proximidades de las palas de las hélices en movimiento, superficies de control o partes más salientes del casco, también en situaciones turbulentas y chorros de agua. El espectro cubre una amplia banda continua de frecuencias para cada fuente individual de arranque que tenga lugar bruscamente cuando se quiera conseguir determinada velocidad. La "oquedad" de la hélice fue la causa principal de la detección acústica de los submarinos en la Segunda Guerra Mundial. Pero mientras que los fenómenos de esta naturaleza suponen ciertas dificultades en buques de superficie y submarinos a profundidades superficiales, raros son los causados en el caso de submarinos que se desplacen a grandes profundidades, siendo suprimidos por la presión hidrostática externa. Estos fenómenos de "oquedad" también pueden suceder en sistemas internos de circuitos de fluidos.
La turbulencia en la capa de agua que rodea un submarino en movimiento puede interaccionar con el casco emitiendo entonces sonidos dispersos en una banda continua de frecuencias. La intensidad se incrementará muy rápidamente con la velocidad, de modo que aunque este tipo de sonido sea indetectable a velocidades bajas, predominará en el caso de elevadas velocidades. Otro tipo de sonido inducido por los flujos de agua puede deberse a que la simetría axial del casco se ve interrumpida por las aletas y superficies de control, las cuales causan variaciones circunferenciales en la estela. El paso de las palas de la hélice a través de estas interrupciones de la uniformidad puede provocar la radiación de tonos acústicos limitados determinados por la pala y su armonía.
El espectro completo de sonido emitido puede ser por lo tanto muy complejo, incluyendo bandas continuas de frecuencias junto con tonos agudos asociados con los correspondientes de la planta y equipamiento. Al analizar las diversas frecuencias y las relaciones entre ellas, se obtienen una serie de "pistas" sobre la naturaleza y comportamiento de la fuente emisora detectada.
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| Figura 1: | Sonar pasivo. La señal buscada es objeto de la atenuación a través del agua y ha de competir además con sonidos marinos y de la plataforma. |
La energía radiada disminuirá en intensidad cuando salga de su medio submarino, teniendo lugar una absorción en el trayecto hasta su receptor, La absorción sonora en el agua marina depende en gran medida de la frecuencia (figura l); si ésta sobrepasa determinado número de kilohertzios será dominante y limitará la detección a alcances cortos, pero esta absorción disminuye según vaya siendo menor la frecuencia. Para conseguir la menor frecuencia posible se requiere un sistema receptor demasiado grande como para ser destinado a buques y submarinos, razón por la cual estos últimos tienden a emplear frecuencias mayores. El sistema remolcado de radares, en el que se arrastran gran número de hidrófonos detrás de la unidad receptora, ha permitido actualmente emplear bajas frecuencias, aprovechando a la vez la ventaja de la absorción tan reducida que se produce en este caso.
La cadena receptora se "dirigirá" electrónlcamente para formar un número de rayos horizontales adyacentes cuyas salidas se compararán simultáneamente. Parece ser que el sistema habrá detectado un objetivo cuando las señales en una dirección determinada,después de que se hayan controlado durante un tiempo considerable, sean bastante mayores que las procedentes de otras direcciones y que podrían deberse a ruidos de fondo.
Las señales recibidas también pueden ramificarse en un gran número de estrechas bandas adyacentes de frecuencia, detectando tonos individuales con el mínimo de ruidos de fondo. En el caso más favorable deberían representarse simultaneamente un canal por cada rayo horizontal, hecho que podria causar problemas de registro, control y representación de datos. Con rayos de alrededor de 1 y anchuras de banda de aproximadamente 1 hertz, el observador debería controlar un total de 105 al 10 6 "células" individuales de acimut y frecuencia durante numerosos intervalos de tiempo.
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| Figura 2 Telemetria pasiva mediante el metodo "solo direccion" el receptor mide direcciones sucesivas (01,02,03 ...) , sobre el blanco de los tiempos t1 ,t2, t3.... y a partir de su curso conocido calcula el curso y velocidad del blanco |
La señal buscada debe detectarse a pesar de los ruidos marinos de fondo. Estos se deben principalmente a fenómenos naturales tales, como p.ej. el romper de las olas superficiales, y puede por lo tanto depender en gran medida de las condiciones meteorologicas; pero a frecuencias menores, el mar va adquiriendo una progresiva "transparencia" al sonido, implicando que los ruidos de fondo queden dominados por los sonidos originados por cualquier embarcación superficial dentro de una amplia área.
Puede haber grandes variaciones del acimut, especialmente si el área incluye una ruta de navegación mercante o quizás un Grupo de Combate Naval. También pueden darse implicaciones operacionales, p.ej. la posición del sonar relativa al Grupo Naval o el deseo de control de la navegación en tiempo de guerra.
Los sonidos también se generarán en la plataforma sonar y cada tipo tendrá sus correspondientes ventajas y desventajas, por lo cuales preferible emplear una mezcla de varios sistemas.
Los receptores fijos en el fondo marino no recibirán ningún sonido adicional y pueden ser empleados en largas cadenas para conseguir un gran alcance en la vigilancia de extensas áreas; de todas formas hay ciertas zonas que no se cubren, además, la localización de la cadena podría llegar a ser conocida por el enemigo, estando entonces sujeta a eventuales contramedidas.
Los receptores en buques y submarinos tienen la ventaja de movilidad, pero su tamaño es limitado y además pueden captar sonidos de fondo generados a bordo. Los sistemas remolcados de sonar superan ambas desventajas, pero son incapaces de distinguir la parte del sistema del cual proviene la señal. Las sonoboyas lanzadas desde el aire tienen escasos sonidos de plataforma y exploran el área cubierta rápidamente por el aeroplano. El desarrollo de éstas tiende a dimensiones verticales; este curso del receptor límite en la dimensión horizontal implica una menor agudeza direccional y alcance, cosa que por otra parte no es tan desventajosa debido a que son suficientemente pequeñas como para que se empleen en gran cantidad.
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| CORMORANT , el sistema sonar integrado ha desplegado sus sensores . Es un sistema de deteccion activo. (Foto: marconi Avionics Ltd, Maritime Systems Division) |
Los sistemas pasivos aislados no dan ninguna información sobre la distancia del blanco, desventaja que intentan superar una gran variedad de métodos- Una técnica muy empleada en submarinos (la solución de "sólo dirección") requiere una serie de maniobras durante las cuales se estima la dirección del blanco (figura 2). Entonces puede conseguirse una distancia inicial aproximada que puede precisarse progresivamente mediante la elección de las maniobras adecuadas. Incluso con la ayuda de ordenadores modernos, esta técnica es relativamente lenta y no cuenta con cambios significativos en el curso y velocidad del blanco.
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| Unidad de Procesamiento y de representacion de señales sonar, perteneciente al TSM 8200 equipo de procesamiento de sonoboyas. Aerotransportado de Thomson -CSF (Foto Thomson , Division Activit'es Sousmarines) |
La distancia puede averiguarse rápidamente empleando tres unidades espaciadas lo más posible a lo largo de la plataforma receptora y midiendo los tiempos transcurridos entre la llegada de la señal a cada receptor para determinar asl la curvatura del frente de la onda incidente (figura 3). De todas formas, la precisión no es muy grande, aunque puede ser suficiente como para determinar si el blanco se encuentra dentro del alcance del Arma.
Una posibilidad mucho mejor serían dos unidades separadas que trabajarán juntas para triangular un blanco desde direcciones simultáneas; este método puede aplicarse para sistemas fijos pero su empleo en buques precisa unas comunicaciones muy seguras (ante la detección), navegación y enfoque preciso y una exacta identificación del blanco para asegurar que ambos barcos están "enfocando" al mismo blanco. Como último recurso, para determinar la distancia sería suficiente con breves emisiones desde el sonar activo, pero hay que tener en cuenta que incluso la más breve emisión pondría en alerta al blanco, de modo que no es muy apropiado para ser empleado desde submarinos, a no ser durante el ataque.
Figura 3
T elemetria Pasiva en Sistemas Separados En la Imagen aparecen 3 sistemas lo mas separados posible;se mide la diferencia de tiempo entre las llegadas. La distancia se calcula a partir de las diferencia de curso equivalente y la linea base conocida.
Resumiendo, un sonar pasivo no relevará su presencia, razón por la que se les da prioridad
en los submarinos. No facilitan ningún dato preciso sobre la distancia, y los métodos que asl lo hacen deben reducir en cierta medida la velocidad, precisión y complejidad operacional. Una prestación óptima para alcance requeriría un extenso sistema que produjera escasos sonidos; este es precisamente el caso del sistema de radares remolcado, que constituye precisamente en la actualidad la mejor opción para plataformas marinas. Para examinar completamente la información recibida requiere un procesamiento de datos y análisis de gran complejidad, pero da indicaciones para la identificación del blanco.
Sonares activos
En un sonar activo, la energía radiada desde un sistema transductor alcanzaría un submarino-objetivo, siendo una pequeña proporción la que se re-emite de vuelta al sistema receptor (figura 4). Esta última suele localizarse en, o próximo, al transmisor, pero esto no constituye una condición indispensable; también puede estar distanciada y/o de dimensiones diferentes, e incluso puede localizarse en otra plataforma distante, Una tarea demasiado engorrosa sería la de interceptar la energía máxima procedente del blanco y permitir que varios rayos horizontales fueran formados y reproducidos simultáneamente. El transmisor también debería ser direccional horizontalmente para poder concentrar energía en el blanco; pero cuanto más direccional sea, mayor tendrá que ser el número de transmisiones sucesivas para cubrir todo el ángulo horizontal bajo vigilancia.
Figura 4
Sonar Activo: al señal se atenua doblemente y ha de competir con sonidos disipados de vuelta , procesedentes del area insonorizada por el pulso trasmisor.
Imagen de una representación típica de señales acústicas (izquierda). En la foto de la derecha se trata de una representación táctica, que muestra la detección de un objetivo localizado por dos boyas DIFAR ANISSO-53 A (Fotos: General Electric Company, Avionics).
La señal recibida estará sometida a una reducción de la transmisión en el agua, no sólo en el trayecto hasta el blanco sino también en la vuelta hasta el receptor; para evitar esto se emplea la menor frecuencia posible. La mayoría de los sonares activos trabajan en f recuencias de pocos kilohertzios para permitir el transporte a bordo de un número razonable de sistemas dirigibles.
De igual modo que los ruidos de sistemas pasivos procedentes del mar o la plataforma sonar pueden limitar las prestaciones, también puede producirse una reverberación, causada por sonidos del transmisor que vuelven al receptor afectados por discontinuidades en el fondo y la limitación que suponen las distancias similares a las del blanco (figuras 5a y 5b). Para ser detectado, el eco del submarino ha de ser mayor que la reverberación, pero también ha de tener una limitación para que el eco no sobrepase el sonido de fondo. Este límite variará si se incremento la potencia; el limite de la efectividad se origina por la reverberación y dependerá en gran parte de factores,como movimientos, tanto en el fondo como en la superficie del área. El único método para incrementar la efectividad superando este límite es aumentar el tamaño de los sistemas radar y/o la anchura de la banda de frecuencia en la que se opera.
Figura 5a:
Sonar activo: detección limitada por el sonido. Para IL, detección, el eco ha de ser mayor que la reverberación; el eco no deberá superar al sonido a partir de cierto límite.
Supongamos que la señal transmisora hace referencia al tiempo de un modo determinado, entonces la distancia del blanco rodrá deducirse a partir del intervalo de liempo'entre una transmisión y la recepción del eco. La velocidad del blanco a lo largo de la línea de mira hasta el sonar también puede obtenerse considerando el conocido efecto doppier, midiendo la diferencia de frecuencias entre el eco v la señal original; esta técnica también puede permitir una mejor detección respecto a las condiciones limitantes de la reverberación debido a que esta última y el eco tendrán lugar en diferentes frecuencias, facilitando la velocidad radial del blanco en cuanto a lo que supera a las olas de la superficie, que generalmente se reducen a pocos nudos.
Las ondas transmisoras pueden seguir una gran variedad de esquemas; puede darse el caso de que la amplitud o la frecuencia, o también ambas, varíen con el tiempo y, generalmente, habrá una forma óptima distinta para cada aspecto particular que desee resaltarse. Un sonar moderno operará por lo tanto de muy diferentes modos, p.ej. uno para detectar blancos de elevado efecto doppler y otros para blancos lentos en los límites de la reverberación y condiciones límites de sonido. También requerirá un amplio procesamiento y presentación de datos, especialmente si emplea sistemas muy direccionales que operen en una banda ancha.
Una desventaja táctica de los sonares activos es que serán fácilmente detectados por los submarinos antes de que estos lo sean por los primeros. Este problema puede superarse en cierta medida transmitiendo ondas que sigan un esquema al azar, con series de pulsos aparentemente casuales pero que se rijan por un determinado código. Aunque en principio un receptor de intercepción pueda distinguir entre una señal codificada y una casual, esta operación exigiría una sofisticación muy considerable. Por otra parte, si los sonares individuales son suficientemente pequeños y numerosos, aunque su efectividad individual sea limitada, podemos emplearlos en gran número para asegurar que una vez que un submarino se encuentre dentro del área en cuestión esté al alcance de alguna de las unidades. El submarino puede detectar cada unidad, pero no sería tan fácil que empleara un arma adecuada capaz de destruir ni siquiera a una de ellas.
Otra posibilidad sería separar el transmisor y receptor (o receptores), recibiendo el eco como reflexión oblicua. La localización de los receptores puede mantenerse de este modo desconocida mientras que el transmisor no precisa estar asociado con una plataforma de gran valor militar. Sería posible concebir una gran variedad de estos sistema híbridos, pero requerirían una gran complejidad operacional para su empleo efectivo.
Figura 5b:
Distancia limitada por la reverberación. El incremento de la potencia del transmisor implicará un aumento tanto del eco como de la reverberación hasta que el sonido de fondo deje de constituir un factor limitante.
Resumiendo, un sonar activo puede medir la dirección, distancia y velocidad de aproximación de un submarino-objetivo. Su presencia puede detectarse de antemano por el objetivo, razón por la cual es más recomendable su empleo en unidades como buques de superficie, los cuales están siempre expuestos a la detección por otros métodos. A pesar de poder esquivar en cierta medida este problema, es algo que precisa gran complejidad. Los sonares en unidades móviles han tendido a emplear frecuencias mayores que los sonares pasivos para mantener un tamaño apropiado del sistema transmisor. Con los sonares pasivos, la nueva tecnología podría reducir el tamaño y costo de los sistemas de procesamiento de datos, pero no el de los transmisores (por lo menos en un grado tan elevado), por esto los sonares activos suelen ser más pesados y costosos que sus equivalentes pasivos.
La desventaja de la transmisión de "ida y vuelta" en un sistema activo hace que su efectividad esté más sujeta a las variaciones de las condiciones de propagación del sonido de un área a otra o a las distintas condiciones meteorológicas que un sonar pasivo. Los sonares activos también son mucho menos sensibles a los cambios en las características del blanco; la reducción de los sonidos emitidos por un submarino afectará al alcance de la detección de un sonar pasivo en mayor medida que la reducción correspondiente de la intensidad del eco lo haría en un sistema activo.
Posibilidades futuras
Actualmente el balance de ventajas parece inclinarse por los sistemas pasivos debido a que los sistemas remolcados han permitido el uso de frecuencias menores y reducido el sonido de la plataforma. El empleo de sistemas receptores similares para sistemas activos podría ayudar a equilibrar esta situación; además, los escasos niveles de emisión de sonidos que se han conseguido alcanzar en ciertos submarinos de propulsión convencional parecen indicar una posible tendencia en la misma dirección dentro de las propulsadas nuclearmente, hecho que conduciría al abandono de los sonares pasivos. Los sistemas activos y pasivos pueden considerarse en cierta medida complementarios, y cada uno ejerce una presión diferente sobre el correspondiente diseño del submarino para reducir la vulnerabilidad ante su detección.
En teoría todavía falta mucho para conseguir los limites máximos de prestaciones. Supongamos que la coherencia en la transmisión dell sonido a través del mar sea adecuada, puede limitarse la resolución en acimut y frecuencia de un sonar pasivo hasta que llegue a tener la extensión angular del blanco y la estabilidad de frecuencia de los tonos emitidos (consideraciones similares también se aplican a los sistemas activos). Las nuevas tecnologías permitirán sistemas más complejos con un equipamiento menor, más ligero y barato, desplegados en mayor número a lo largo de numerosas plataformas.
Contra esto se crea la degradación potencial que ofrecerá la oposición. La guerra acústica submarina puede seguir los mismos pasos que la guerra electrónica en buques de superficie. Las contramedidas ante sonares activos incluirán equipos acústicos de interferencia que re-emitan la señal sonar con el fin de producir una información falsa, o la saturación mediante un gran número de reflectores acústicos. Contra los sonares pasivos, un submarino deberá emitir deliberadamente señales más intensas que se asemejen a las de buques mercantes.
Quizás sea más significativo el hacer alusión al modo en que los submarinos puedan hacerse menos susceptibles a la detección acústica. El sonido emitido podría reducirse,
p.ej., mediante el rediseño de los componentes causantes de estos ruidos, montándolos en unidades aislantes de las vibraciones para reducir la transmisión del sonido a la estructura; también podrían emplearse materiales "amortiguadores" para reducir la radiación emitida desde el casco (figura 6). La intensidad de] eco podría reducirse recubriendo el casco con material no reflectante o, más radicalmente, reformando la estructura completa de manera que la mayoría de la energía se refleje en direcciones seguras frente al receptor, quizás hacia arriba o abajo.
Figura 6:
Reducción del ruido emitido. El esquema expone algunas de las medidas que pueden tomarse para reducir el sonido emitido por un submarino.
Algunas de estas medidas seguirán un proceso de progresión; otras, que precisan mayores cambios en el diseño, sólo se materializarán en las nuevas clases de embarcaciones o en casos de un largo proceso de producción. Estas también tendrán que completarse con mejoras en otras características como velocidad, profundidad, resistencia, armamento o vulnerabilidad ante el ataque; y algunas de las últimas se considerarán de mayor prioridad, al menos para ciertas misiones. No obstante, el submarino constituye un vehículo militar de importancia tal que cualquier mejora técnica posible se realizará tarde o temprano, siendo de esperar la reducción significativa del sonido emitido (y posiblemente también de la intensidad del eco). Esto producirá, parcial o incluso completamente, mejoras en los sonares potenciales y la investigación sobre alternativas no acústicas seguirá manteniendo su importancia de siempre.
Muchos efectos físicos y químicos se producen por la presencia de un submarino, pero las investigaciones en búsqueda de una detección de gran alcance parece ser, en cierta medida, un proceso con poca esperanza. La mayoría de los efectos magnéticos y electromagnéticos tienen un alcance bajo el agua escaso, pero se emplean para el reconocimiento aéreo, donde el alcance bajo el agua no necesita ser mayor que la profundidad a la que se encuentra el submarino. Muchos otros efectos pueden persistir, como excitación sumergida, durante varias horas después de que haya pasado el submarino; estos serán rápidamente detestables por la propia excitación, pero un sistema realmente útil dependerá de uno o más de estos fenómenos que causen un cambio detestable en las condiciones superficiales. Estos cambios se observarán mediante métodos activos o pasivos de la superficie con sensores adecuados, quizás IR, microondas o ópticos, montados en aviones o satélites. Las mejoras en el futuro podrán introducirse mediante detectores más sensibles; métodos más sofisticados para el reconocimiento de la señal buscada de entre otras en la superficie marina y la detección simultánea de más de un efecto.
Resumiendo, los métodos acústicos ofrecen todavía la mejor posibilidad para detectar los submarinos a gran distancia. Actualmente, los sistemas pasivos parecen contar con ciertas ventajas, pero es indudable la complementariedad que suponen al emplearse junto con los activos. Se pretende conseguir una mejora en ambos, no sólo pensando en los posibles avances en el diseño de submarinos que los haga menos vulnerables a la detección sino también en el desarrollo de la guerra acústica. La detección no acústica también ha de ser investigada profundamente, con la esperanza de que suponga una alternativa efectiva que también pudiera forzar a la oposición a invertir considerables cantidades en series nuevas de Contramedidas.-
Por B. W. Lythali, CB Tecnologia Militar
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