Se innlegg etter kategori

Lavsignatur og «stealth»; myte eller fakta? (Low observability and «stealth»; Myth or Fact?)

F-35 på Luke Air Force Base

F-35 ved Luke Air Force Base. Alle overflatene på flyet er designet for å skape en radarsignatur som både er minst mulig og forutsigbar slik at flygeren til enhver tid vet hvor synlig flyet er for motstanderen. (Foto: US Air Force)

*English translation below*

I dette blogginnlegget skriver jeg om lavsignatur, eller «stealth». Lavsignatur er en viktig egenskap ved F-35. Flere kritikere har vært skeptiske til F-35 generelt, og lavsignatur spesielt. Jeg skal forsøke å fjerne noe av mystikken som kanskje forbindes med «stealth», og vise at lavsignatur ikke er overtro.

Lavsignatur er ikke det samme som å være usynlig, men «stealth» betyr å være vanskelig å oppdage. I naturen har lavsignatur vært populært lenge. Rovdyrene har utviklet skarpe sanser og hurtige reflekser. Byttedyrene har i sin tur kamuflert seg bedre, listet seg stillere, utviklet bedre syn og hørsel. Evolusjonen har ført til en evig spiral av trekk og mottrekk, og trenden ser ikke ut til å snu; det er få neonfargede harepuser å finne i skogen.

I dag må en soldat være paranoid, dyktig, godt utstyrt og heldig, for å unngå å bli oppdaget av termiske sensorer, lysforsterkningsutstyr eller akustiske sensorer. Likevel har ikke våre kollegaer i Hæren gått tilbake til fargesterke uniformer, slik som de britiske «Red Coats» brukte – uniformer som ville fremmet trafikksikkerheten i vintermørke norske militærleire. Kamuflerte klær, kamuflert våpen og utstyr, samt kamuflasjemaling i ansiktet er fortsatt viktig. Soldatene har ikke råd til å gi fienden gratis poeng ved å hoppe over det mest grunnleggende, nemlig å unngå å bli sett av fiendens øyne, bokstavelig talt.

Kamuflert gardist på øvelse

Gardist fra Hans Majestet Kongens Garde på øvelse. Til tross for utviklingen av moderne sensorer har ikke kamuflasje blitt mindre viktig for dagens soldater.

Undervannsbåten viste for alvor sin verdi under første verdenskrig. Da fantes få effektive mottrekk, men i årene fram mot andre verdenskrig endret dette seg. I løpet av andre verdenskrig tvang allierte patruljefly med radar de tyske undervannsbåtene vekk fra overflaten. Ekkolokalisering gjorde det også mulig å jakte neddykkede undervannsbåter. I dag konstrueres og bygges det fortsatt undervannsbåter, selv om sensorene er mer effektive enn på 1940-tallet. Trekk og mottrekk. Undervannsbåter er ikke umulige å oppdage, men de er fortsatt vriene å finne.

Kanskje var dette en lang innledning til lavsignatur og F-35? Jeg valgte å skrive slik for å vise at det neppe kan lages militær teknologi som forblir uimotsagt. To konkurrerende parter ser og lærer av hverandre – trekk og mottrekk. Det er ikke slik at termiske sikter alltid finner kamuflerte soldater. Det er heller ikke slik at et kobbel med fartøy og overvåkingsfly alltid finner en neddykket ubåt. I alle fall ikke i Sognefjorden. Likevel er lavsignatur tydeligvis fortsatt verdt det ekstra bryet når nye militære kapasiteter utvikles både til lands og til (i) sjøs. Er det grunn til å tvile på nytten av lavsignatur for flymaskiner?

Hva gjør et kampfly vanskelig å oppdage? Sensorene som brukes for å oppdage et kampfly kan grovt deles i tre kategorier: Aktiv elektronisk deteksjon, passiv elektronisk deteksjon og optiske systemer. I denne artikkelen prioriterer jeg ned optisk og infrarød signatur, fordi et kampfly med etterbrenner ikke kan gjøres spesielt «stealthy» i dette domenet. På den annen side fungerer optiske sensorer bare når det er fri sikt fra sensor til målet. Jeg flyr ofte i skyer når jeg trener med F-16 over Norge, og antar at det ikke endrer seg med ny flymaskin. Derfor gjenstår aktiv og passiv elektronisk deteksjon som de mest pålitelige metodene for å finne en flymaskin.

Bildet viser norsk F-16 som manøvrerer over et tett skylag. I denne typen forhold reduseres effekten av optiske sensorer. (Foto: Morten Hanche)

Bildet viser norsk F-16 som manøvrerer over et tett skylag. Under slike forhold reduseres effekten av optiske sensorer. (Foto: Morten Hanche)

Aktiv elektronisk deteksjon betyr radar. En radar sender ut pulser som i igjen blir reflektert tilbake fra målet. Hvor synlig et fly er på radar avhenger blant annet av hvor mye energi som blir reflektert tilbake til radaren som sendte pulsen. Radartverrsnittet – «Radar Cross Section» (RCS) – beskriver denne synligheten. I daglig trening med våre F-16 opplever vi denne effekten hver gang vi flyr. En «naken» F-16, uten utvendig last, oppdager vi på kortere avstand enn en tungt lastet F-16. Den utvendige lasten øker radartverrsnittet, og gjør maskinen synligere for radar. I tillegg til utvendig last, bestemmes radartverrsnittet i hovedsak av målets form og hvilke materialer det er laget av – ikke av fysisk størrelse.

F-35 er bygget for å reflektere radar-pulsene vekk fra systemet som sendte de ut. De viktigste virkemidlene er åpenbare:

  • Mange av flatene er ordnet i parallelle vinkler. Dette er gjort for å «rydde» i radar-signaturen, slik vi har kontroll på hvilke vinkler som gjør flymaskinen lite synlig og hvor maskinen er mer synlig for en motstander. Blant annet derfor er alle antenner bygget inn i overflaten på flymaskinen.
  • Et annet geometrisk trekk er at 90-graders vinkler er unngått (se på halerorene). 90-graders vinkler fungerer som en «hjørnereflektor», og ville ellers sendt en radar-puls rett tilbake til motstanderen.
  • Motoren til F-35 er gjemt bak et s-formet luftinntak. Den store motoren ville fungert som en refleks på flyet dersom den ikke var gjemt bort.
  • Drivstoff og våpen kan bæres innvendig. Utvendig last reduserer aerodynamisk ytelse og øker radartverrsnittet.
  • Pynten på kaka er at flymaskinen er bygget med materialer som absorberer elektromagnetisk energi.
F-35A sett overfra

På bildet ser du tydelig hvordan de ulike kantene på flyet er utformet for å passe med hverandre, og hvordan rette vinkler er unngått. (Foto: US Air Force)

Passive elektroniske sensorer gjenkjenner de ulike signalene fra et kampfly og retningsbestemmer disse. Et avansert passivt system kan også bedømme avstand, men ofte med grov nøyaktighet. Å montere en kraftig radar på et ellers «stealthy» kampfly er et kompromiss; radaren gjør det lettere for en motstander å oppdage kampflyet. På den annen side gjør radaren det mulig for egen flymaskin å oppdage mål selv. Radar er en viktig sensor for et kampfly, og det vil ofte være verdt risikoen å bruke radar, selv om en motstander får noen gratis «poeng».

Det er ikke bare radaren som kan oppdages passivt. Alle sendere på kampflyet setter spor som kan oppdages passivt. Når vi planlegger oppdrag med kampfly er vi derfor bevisst hvilke sendere vi bruker, og hvilke vi kan klare oss uten, for å redusere vår aktive signatur.

For F-35 sin del er de ulike senderne på flyet konstruert for å være vanskelige å oppdage. Et vanlig knep er å bygge sendere som kan veksle mellom ulike frekvenser, og helst i et bredt frekvensområde. Et annet triks er å redusere energien som sendes ut mest mulig, og bare stråle det som strengt tatt er nødvendig.

Jeg har blitt spurt om det er naivt å tro at lavsignatur ikke kan omgås. Jeg tror at lavsignatur kan kontres, men jeg vet at det ikke finnes én enkelt «quick fix». Radar er primærsensor for de fleste kampfly, og for mange luftvernsystemer. Lavfrekvent radar har blitt løftet frem av mange som løsningen. En lavfrekvent radar kan i større grad oppdage «stealthy» flymaskiner. På den annen side gir lavfrekvent radar mindre nøyaktige posisjonsmålinger. En stor radar-antenne vil hjelpe, men det er ikke praktisk å gjøre antenner i kampfly eller missiler særlig mye større uten at aerodynamikken blir lidende.

Passive systemer blir også fremhevet. Også her er jeg enig i at slike systemer kan oppdage «stealthy» flymaskiner, men problemet er igjen nøyaktigheten. En motstander vil vite at det er noe der, men målingene er ikke nøyaktige nok til å lede et våpen.

En annen løsning som hentes frem er infrarød deteksjon. Moderne infrarøde sensorer er svært følsomme, og kan oppdage flymaskiner over store avstander. Også disse systemene har problemer med å måle avstand, og er i tillegg prisgitt tørr og skyfri atmosfære. Oppsummert vil jeg si at det er fullt mulig å kontre lavsignatur, men det finnes ingen magisk løsning, og det er ikke enkelt.

Legion pod på F-15

På bildet er en ny infrarød «pod» montert under buken på en amerikansk F-15. Poden produseres av Lockheed Martin, og skal gjøre eldre fly bedre i stand til å finne luftmål uten bruk av radar. (Foto: Lockheed Martin)

Jeg har hatt flere interessante diskusjoner med folk som er skeptiske til F-35. I én slik diskusjon møtte jeg en kar som argumentert for at aktiv forstyrring av en motstanders radar-signaler, eller «jamming», kunne være like effektivt som lavsignatur. Det er helt riktig, men jeg har et par forbehold. Å oppnå effektiv «jamming» krever mye av egen etterretningsorganisasjon. «Vi» må sitte på et detaljert signalbibliotek over mulige trussel-radarer, slik at vi kan programmere «jammeren» optimalt. Aller helst bør vi også eie det aktuelle trusselsystemet selv, slik at vi i testing kan bekrefte at «jammingen» virker. Det kan være vrient å få en potensiell motstander til å gi bort et moderne våpensystem. For Norge sin del ser jeg det som urealistisk at vi skal få fatt i moderne og relevante «fiendtlige» radar-systemer for testing.

Et annet problem er hva slags radar det er snakk om. Vi kan kanskje stole på å forstyrre et gammeldags radar-system. Hva med et moderne system? Hva hvis det er flere trusler der ute samtidig? For å oppnå god effekt hos en motstander bør «jammingen» være intens og uavbrutt. Hvordan skal «jammeren» prioritere riktig? Hovedankepunktet mitt er at en motstander neppe vil fortelle oss om våre jammeteknikker er effektive eller ikke. Hvordan kan våre flygere vite at jammingen faktisk fungerer? Passiv signatur kan vi beregne oss fram til effekten av. «Jamming» derimot vil alltid være usikkert.

Jeg håper dette innlegget har vært med på å avmystifisere lavsignatur. Det er viktig at debatten rundt F-35 bygger på fakta og forståelse, slik at vi sammenligner epler og epler.

*English translation*

Low observability and «stealth»; Myth or Fact? 

In this blog post I write about low observability, or «stealth». Low observability is an important characteristic of the F-35. Several critics have been skeptical of the F-35 in general, and especially the value of its low signature. I will try to remove some of the mystique that may be associated with «stealth»; I will show that low signature is not superstition but a real phenomenon, which remains a relevant aspect of the F-35 in spite of evolving technologies.

Having a low signature is not the same as being invisible, but it does mean being difficult to detect. In nature low observability has been popular for quite some time. Predators have developed keen senses and quick reflexes. In return their prey have perfected their camouflage, tiptoed even more quietly, developed better vision and hearing.  Evolution has led to an endless spiral of moves and countermoves, and the trend does not seem to change; you´ll find very few neon colored bunnies in the wild (if anywhere).

The same applies in a modern battlefield. Today, a soldier has to be paranoid, skilled, well-equipped and also lucky to avoid being detected by thermal sensors, night vision devices or acoustic sensors. Yet our colleagues in the Army have not returned to the colorful uniforms of the past, similar to those used by the British «Red Coats» – uniforms that would certainly have improved traffic safety in the winter darkness of a Northern Norwegian Army camp. Camouflaged clothing, camouflaged weapons and equipment, and faces covered in camouflage paint remains important and relevant. Soldiers cannot afford to give the enemy any free points by skipping the most basic preparations to avoid being detected.

Kamuflert gardist på øvelse

Guardsman from His Majesty the King’s Guard on exercise. Despite the development of modern sensors, camouflage still remains important for today’s soldiers.(Photo: Norwegian Armed Forces)

The submarine first proved its true value during the First World War. At that point there were few effective countermeasures, but in the years leading up to World War Two this changed. During World War Two allied patrols with radar forced German submarines away from the surface. Echolocation also made it possible to hunt submerged submarines. Today, however, we still design and build submarines, even though sensors have become more effective than in the 1940s. Moves and countermoves. Submarines are not impossible to detect, but they are still tricky to find.

Perhaps this was a long introduction to a discussion around low signature and the F-35? I chose to write this way to show that probably is impossible to develop any kind of military technology that will remain unchallenged. Two competing parties understand and learn from each other – moves and countermoves. Thermal imaging will not always find camouflaged soldiers. Nor will a large number of surface vessels and surveillance aircraft always find a submerged submarine. At least not in the Sognefjord on the Norwegian west coast. Low observability is obviously still worth the extra trouble when new military capabilities are developed both on land and (in) sea. Is there then any reason to doubt the value of low observability for aircraft?

What makes a fighter difficult to detect? The sensors used to detect a fighter can be broadly divided into three categories: active electronic detection, passive electronic detection and optical systems. In this article I will not focus too much on optical and infrared signature, because fighter jets with big afterburning engines cannot really be considered «stealthy» in these domains. On the other hand, optical sensors only really work when there is a clear path from the sensor to the target. I often find myself flying in clouds when I train with the F-16 over Norway, and I suppose this will not change with our new airplane. Active and passive electronic detection therefore remains the most reliable methods for locating an aircraft.

Bildet viser norsk F-16 som manøvrerer over et tett skylag. I denne typen forhold reduseres effekten av optiske sensorer. (Foto: Morten Hanche)

Picture shows a Norwegian F-16 in clouds. In these kinds of conditions, the effectiveness of optical sensors is reduced. (Photo: Morten Hanche)

Active electronic detection means radar. A radar emits pulses which are reflected back from the target. How visible an airplane is on radar depends partly on how much energy is reflected back to the radar. The term «Radar Cross Section» (RCS) describes this level of «radar visibility» (reflectivity, really).  In daily training with our F-16s we see this effect every time we fly. A «naked» F-16, without external loads, is discovered at shorter distances than a heavily loaded F-16. The external load increases radar cross section, and makes the machine more visible to radar. In addition to the external load, radar cross section is determined mainly by the shape of the target and the materials it is composed of (even though physical size also matters at low frequencies) .

The F-35 is built to reflect radar pulses away from the system that sent them out. The most important measures for doing so are obvious.

  • Many of the surfaces are arranged in parallel angles. This is done in order to «clean up” the radar signature and make it predictable. That way we know which angles make us really «small» to a radar, and which angles only make us «small».  Among other things, this is one reason for all the antennas being built into the structure of the aircraft itself.
  • Another geometric characteristic is that 90-degree angles are avoided; an example being the canted «vertical» tails, or rudders. 90-degree angles act as «corner reflectors» and end up sending radar pulses straight back to where they came from, which would mean back to your opponent.
  • The engine is hidden behind an s-shaped air intake. The big engine would have given the airplane the equivalent of a reflective vest if it was not hidden away.
  • Fuel and weapons can be carried internally. External loads reduce aerodynamic performance and increase the radar cross section, making the airplane more visible to radar.
  • To top it all off, the airplane is built with materials that absorb electromagnetic (radar) energy.

 

F-35A sett overfra

This photo clearly shows how the various angles on the F-35 have been aligned to provide a much «cleaner» radar signature. (Foto: US Air Force)

Passive, or listening, electronic sensors recognize the different signals coming from a fighter jet and determine what direction they are coming from. An advanced passive system can judge distance, but often with limited accuracy. Installing a powerful radar in an otherwise «stealthy» fighter therefore is a compromise; the emitted radar signals make it easier for an opponent to detect the fighter. On the other hand, radar still is a primary sensor for fighter jets, which allows detection and precise target tracking for weapons employoment.  Therefore, it will often be worth the risk to use radar, even if it means handing your opponent “free points».

It is not only radar that can be detected passively. All transmitters on a combat aircraft leave traces that can be detected passively. When we plan missions, we are therefore aware of what transmitters we use and which ones we can do without, to reduce our active signature.

In the F-35, the various transmitters, including the radar, were designed to be difficult to detect. A common trick is to build transmitters that can switch between different frequencies, and preferably within a wide frequency range. Another trick is to reduce the emitted energy to only what is strictly necessary.

I have been asked if it isn’t naive to believe that low signature cannot be countered. I think that low signature can be countered, but I know for a fact that there is no single «quick fix.» Radar is the primary sensor for most fighters, and for many air defense systems. Low frequency radar has been mentioned by many as a possible way of countering the advantages of stealth aircraft. It is true that low frequency radars are increasingly able to discover «stealthy» aircraft. On the other hand, low-frequency radars provide much less accurate target tracking.  Having a larger radar antenna would improve tracking accuracy.  However, within the confines of a pointy jet fighter´s nose cone, or within the nose of an even smaller missile, it is obviously impractical to increase the radar antenna size.  Or, you could, but that would be the same as welding a speedbrake to the front of your fighter (and I´ll tell you no fighter pilot would applaud that idea).

Passive systems have also been mentioned as a possible solution. Here too, I agree that such systems in theory can detect «stealthy» aircraft.  But again the problem is accuracy. An opponent will know that something is there, but the returns will not be accurate enough to guide a weapon.

Another solution that is mentioned is infrared detection. Modern infrared sensors are very sensitive, and can detect aircraft over long distances. These systems however also have difficulty measuring distance, and are also dependent on having a dry and cloudless atmosphere.

In summary I would say that while it is quite possible to counter low observability, there is no magic solution, and it’s not easy.

Legion pod på F-15

In this photo we see a new infrared pod mounted underneath a USAF F-15. This pod is being developed by Lockheed Martin, and is designed to improve the ability of older generation aircraft to locate aerial targets without the use of radar.(Photo: Lockheed Martin)

I’ve had several interesting discussions with people who are skeptical about the F-35. In one such discussion, I met a guy who argued that active interference of an opponent’s radar signals, or «jamming», could be as effective as having a low signature. That’s absolutely correct, but with a few important limitations. Achieving effective «jamming» is not possible without accurate intelligence on the threat system we´re trying to defeat. «We» have to sit on a detailed signal library of possible threat radars, so that we can program our «jammers» optimally. Ideally, we would even possess the relevant threat system itself, so that in testing we can confirm that the «jamming» actually works. However, a genuine opponent would probably not willingly give away a modern weapon system to us.  For Norway’s part, I see it as unrealistic that we will get our hands on contemporary and relevant «hostile» radar systems for testing.

Another issue is what kind of radar it is. We may be able to reliably disrupt an old-fashioned radar system. But how about a modern system, with inherent capabilities to counter «jamming»? What if there are more threats out there at the same time? To achieve good effect, «jamming» must be intense and uninterrupted. How should the «jammer» prioritize the correct threats – those which constitute the biggest threat to me right now?

My main objection is however that an opponent is unlikely to tell us whether our jamming techniques are effective or not. How can our pilots know whether our jamming actually works? The effect of passive signature reduction – low radar cross section, or «stealth» – can be calculated. The effects of «jamming» will always be uncertain.

I hope this post has helped to demystify what low signature and stealth really is about. It is important that the debate over the F-35 is based on facts and an understanding of the real issues involved, so that we are indeed comparing apples to apples.

Comments are closed.