lunes, octubre 06, 2008

El radar de Dulles

Danielle O’Brien era controladora en el aeropuerto internacional de Dulles (Washington), de donde despegó el vuelo 77 que acabó estrellándose en el pentágono. De hecho, ella misma participó en el despegue del avión, pero lo que le ha hecho conocida son las siguientes declaraciones:

La velocidad, maniobrabilidad, la forma en que giró, lo que todos en la sala de radar pensamos, todos nosotros controladores aéreos experimentados, fue que se trataba de un avión militar (…) No pilotas un 757 de esa manera. Es inseguro.


Sobre las nueve y media de la mañana, O’Brien y sus compañeros vieron en las pantallas de radar un eco no identificado. Se movía rápido hacia el Este. Hizo un giro de casi 360º y desapareció del radar. Minutos más tarde el aeropuerto Nacional de Washington (el aeropuerto Reagan), les comunicaba que el Pentágono había sido alcanzado.

Quienes creen en una megaconspiración del gobierno estadounidense para autoatentarse, ven en estas declaraciones la confirmación de que ningún avión se estrelló en el Pentágono. Principalmente, es el giro de casi 360º el que levanta las sospechas, ya que por un lado O’Brien dice que es “inseguro” hacer volar así un 757, y no faltan pilotos expertos (y generalmente anónimos) que dicen que esa maniobra es imposible. En cambio, lo que habría visto O’Brien en el radar bien podría haber sido un caza, o incluso un misil.

Objeciones que se pueden hacer a esa rápida conclusión es que las palabras se pueden interpretar de otra forma: pilotar un 757 de esa forma puede ser inseguro, o incómodo para los pasajeros, pero no imposible, y para un terrorista que se quiere suicidar no parece que la seguridad del avión sea una prioridad. Por otro lado, están los datos de las cajas negras recuperadas, que confirman que se hizo tal giro, con una trayectoria que coincide con la marcada por el radar, y a pesar de que la maniobra quizás fuera hecha de forma chapucera, era perfectamente posible como confirman otros pilotos expertos (estos sí, con nombre y apellidos).

Las declaraciones, prácticamente las únicas que se pueden encontrar en la red, las hizo en Octubre de 2001 a la ABC, pero no fue lo único que dijo. Entre otras cosas, también relata cómo fue a ver por sí misma qué había ocurrido:

He estado en el Pentágono e imaginado por donde, según lo que vi en el radar, pudo haber venido el vuelo. Y creo que fueron hacia el Este y debido a que el sol les daba en los ojos esa mañana, y porque la Casa Blanca está rodeada de árboles, creo que no pudieron verlo. Iba demasiado rápido. Sobrevolaron el Pentágono o lo vieron frente a ellos. No puedes pasarte el Pentágono. Es tan reconocible por su forma y tamaño, y dijeron “Mira, ahí está. Ve por él. Dale a ese”. Ciertamente podrían haberle dado a la Casa Blanca si la hubieran visto


Que deja entrever que ella, controladora experimentada, a pesar de creer que volar un 757 de esa forma puede ser inseguro, no tiene dudas de que eso fue lo que recogió el radar.

¿Qué vio Danielle O’Brien?

En la web http://www.aal77.com/ están disponibles las imágenes del radar de aquella mañana. En concreto, se pueden ver los videos de los radares del aeropuerto de Dulles (código del aeropuerto IAD), de Reagan (DCA), de Baltimore (BWI), y de Harrisburg (MDT). En los tres primeros se ve un eco de radar dirigiéndose a toda velocidad hacia el este, haciendo el famoso giro, y finalmente acelerando hasta que se pierde la señal. Estas imágenes muestran lo que los controladores vieron aquella mañana.

El suceso no ocurrió tan rápido como podría parecer de las palabras de O’Brien: la pantalla del radar se refresca cada 5 segundos. El primer eco aparece sobre las 9:25 y la señal se pierde más de 10 minutos después.

¿Y qué estaba detectando el radar?

Las evidencias tales como el análisis de las cajas negras que describen una trayectoria igual a la recogida por el radar, los restos encontrados, y los testimonios de la gente deberían bastar para concluir que lo que el radar captó fue el AA77.

Pero por si aún hay alguna duda, vamos a razonar lo que pudo, y no pudo detectar el radar.

Como funciona un radar

El radar (acrónimo de RAdio Detection And Ranging) es un sistema que emplea ondas electromagnéticas para detectar y estimar la distancia de un blanco. Una antena barre en ángulo y en el tiempo de una vuelta (casi 5 segundos) emite una serie de pulsos. Estos pulsos cuando chocan con un blanco rebotan hacia la antena, donde generan una señal eléctrica que posteriormente se muestra en una pantalla. Ya que la velocidad de la luz es una constante (c=2.997•108m/s), el tiempo (t) que ha tardado la señal en ir y venir determina la distancia (r) al blanco (r=c•t/2).

Pero el radar tiene una sensibilidad. Es decir, la antena necesita recoger una cantidad mínima de radiación rebotada para que la electrónica reconozca la señal como un eco, y no como ruido. Para entender qué factores determinan la señal que un eco produce en la antena, resumiremos el proceso que se puede encontrar más detallado en la web Radar Basics:

1- Emisión de señal
La antena del radar emite un pulso de radiación con una potencia media PS. La radiación se propaga por el aire, hasta una distancia R donde se halla el blanco. Entonces, la radiación que recibe el blanco es proporcional a la potencia de salida de la antena, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que le separa del blanco:



2- Rebote de la señal
La radiación rebota y comienza a propagarse en todas direcciones. Sólo una parte vuelve hacia la antena. Cuanta exactamente, depende del tamaño del blanco, de su forma, y del material con que está hecho. Todos estos parámetros se combinan en uno sólo llamado Sección Eficaz de Radar, cuyo significado físico es el área aparente que parece mostrar el blanco. Así, la potencia que rebota es proporcional la potencia que llega, y su sección eficaz de radar:


3- Recepción de la señal
El eco producido debe recorrer el mismo camino R hasta llegar a la antena donde será detectado con una potencia Pe, por lo que de nuevo su potencia disminuirá como el cuadrado de la distancia:


4- Ganancias y pérdidas
Lo anterior es el esqueleto de la ecuación básica del radar. Para completarla falta añadir unos detalles. Primero, la antena no emite radiación de forma simétrica en todas direcciones, sino que concentra el haz en una dirección. Para ello, se diseña la antena con una forma y área específica. De esta forma, la potencia que llega al blanco es mayor que la que hubiera recibido si la radiación se hubiera emitido de forma omnidireccional.

Esto también afecta a la recepción del eco: cuanto mayor sea el área de la antena, más radiación recogerá. A esta corrección debida al diseño geométrico de la antena se le llama ganancia (G), y como vemos, actúa tanto en la emisión como en la recepción.

La longitud de onda también influye en la propagación de la radiación, por lo que también se debe incluir en la ecuación.

Por último, el radar está sujeto a pérdidas, a fracciones de la potencia recibida que no se convierten en señal eléctrica. Con todo esto, la ecuación final del radar queda como sigue:


En la ecuación se pueden diferenciar varias partes:

- Primero, la debida únicamente a la antena: potencia emitida, ganancia, longitud de onda y pérdidas (azul).

- Segundo, la debida únicamente al blanco: la sección eficaz de radar (rojo)

- Tercero, un factor debido a la geometría que es una constante (verde)

- Y cuarto, la distancia R (negro)

Fijando las características de un radar, el eco depende únicamente del tipo de blanco, y de su distancia a la antena. Blancos muy grandes a mucha distancia pueden rebotar la misma cantidad de radiación que un blanco pequeño a corta distancia. Un blanco pequeño rebota menos radiación que un blanco grande, y si ambos están a la misma distancia el blanco más pequeño puede no ser detectado.

Las antenas tienen un límite por debajo del cual no detectan ecos. A este límite se le llama sensibilidad, depende únicamente de la antena y se determina experimentalmente. Ecos que lleguen con una potencia similar o menor que la sensibilidad no se van a detectar.

El ruido es otro parámetro característico del radar. El radar tiene una sensibilidad, pero el ruido puede hacer que de pronto surjan señales más altas que ésta. ¿Cómo se puede diferenciar entonces entre una señal verdadera, o el simple ruido que por azar genera una señal ligeramente superior a la sensibilidad? Para ello se caracteriza este ruido, de forma que para considerar una señal como un eco válido, debe superar la señal que produce el ruido por encima de la sensibilidad.

El radar que se hallaba instalado en Dulles y en la mayoría de los aeropuertos norteamericanos en 2001 era el ASR 9 fabricado por Northrop Grumman, cuyas características se pueden encontrar por la web de la FAA

Las características que influyen en la ecuación del radar son los siguientes:

- Potencia media : 1188 a 1462 W
- Ganancia : 33-34 dB
- Frecuencia : 2.7 a 2.9 Ghz (longitud de onda : ~10 cm)
- Pérdidas : 2.6 dB
- Sensibilidad : -108 dBm (-138 dB)
- Ruido : 4.1 dB

Para este radar, la señal mínima que debe llegar a la antena para reconocer un eco debe ser de -138+4.1 dB=-133.9 dB

Como datos complementarios, el radar rota a una velocidad de 12.5 revoluciones por minuto (4.8 segundos por vuelta. El refresco en la pantalla del operador es cada 4.8 segundos), y su alcance es de 60 Millas Náuticas (unos 110 Km. 1 NM=1.852 Km)

Las señales en decibelios (dB) se calculan a partir de logaritmos. Así, si tenemos una potencia en vatios (PW) para expresar la potencia en dB, PdB=10•log(PW).

Las unidades dBm (decibelios-milivatio) son el resultado de calcular los decibelios usando milivatios en vez de vatios:
dBm=10log(PW•1000)=10log(1000)+10log(PW)=30+dB


El alcance máximo no viene determinado por la sensibilidad del radar, sino por el periodo de los pulsos emitidos por la antena. Cuando la antena emite, no puede recibir y viceversa. La antena pone un contador de tiempo a cero cada vez que emite un pulso, y el eco debe llegar a la antena antes de que se emita el siguiente. Ese tiempo determina el alcance máximo.

Según las características técnicas del ASR-9, la antena emite un pulso con un periodo variable entre t=0.757 ms y 1.07 ms. En ese tiempo, la radiación debe ir y volver, por lo que la distancia más larga que puede recorrer la radiación varía entre r=c•t/2=113 km (61 NM) y 161 km (87 NM). El radar sólo muestra hasta 60 NM al operador.


En conclusión, tenemos que para que un radar ASR-9 reconozca un eco como señal, éste debe ser de al menos Pe=-133.9 dB, y debe encontrarse a un máximo de 110 km del radar.

La sección eficaz de radar

Con las características del radar conocidas, para estimar si un blanco determinado se puede detectar a una distancia R, hay que conocer aproximadamente su sección eficaz de radar.

La sección eficaz de radar (Radar Cross Section, RCS) es una medida del “área aparente”, o el área que la radiación “parece” encontrarse cuando rebota con el blanco. Otra interpretación posible es que es una medida de la probabilidad de que la radiación sea rebotada hacia la antena. Depende, obviamente, del tamaño del objeto, de su forma, de su orientación respecto a la antena, y de la longitud de onda.

También del material con que esté hecho el blanco. Así, por ejemplo, los cazas y misiles suelen estar recubiertos de un material llamado RAM (Radar Absorbent Material) que absorbe parte de la radiación para que la potencia del eco sea mínima. Otros cazas (como el F-117, o el B-2) y también algunos misiles (como el AGM-129) llevan formas calculadas expresamente para que el rebote de la radiación se desvíe hacia los lados, y no hacia la antena de radar evitando así su detección. Estos dos factores reducen la RCS.

Algunos valores típicos de RCS en metros cuadrados:


Avión Comercial / Bombardero
500 – 1000 (Ref. 1)
100 (Ref. 2)
100 – 1000 (Ref. 3)
Jet privado: 100 – Reactor: 1000 (Ref. 4)

Caza de combate
1 – 50 (Ref. 1)
2 – 6 (Ref. 2)
5 – 100 (Ref. 3)

Misil
0.1 – 10 (Ref. 1)
0.5 (Ref 3)
Tomahawk: 1 (Ref. 5)

Caza invisible (stealth)
F-117 0.1 (Ref. 2)
B-2 0.01 (Ref. 2)
Menor de 0.0001 (Ref. 4)

Ref 1: Radar Cross Section en aerospaceweb.org
Ref 2:
Radar Cross Section Measurements (8-12 GHz) of Magnetic and Dielectric Microwave Absorbing Thin Sheets [.pdf]
Ref 3:
RADAR CROSS SECTION (RCS) [pdf]
Ref. 4:
Antenas
Ref. 5:
Tomahawk (BGM – 109)


A pesar de la dispersión de valores, se ve que hay diferencias de uno o varios órdenes de magnitud entre aviones comerciales (100-1000 m2), cazas (5-100 m2), misiles (0.1-10 m2) y aviones invisibles (menos de 0.1 m2)

Dentro de cada tipo de blanco, también depende de su tamaño. No es lo mismo una avioneta Cessna, que un jet privado, o que un gran reactor tipo Boeing 757.

Y para un mismo blanco, puede haber también diferencias entre si la radiación ve el blanco de frente, o de lado. Normalmente, de frente la RCS es menor.


Teniendo en cuenta que estos valores son una estimación del la RCS, ahora podemos estimar algunas cosas: el ASR-9 tiene un alcance de R=60 NM. A esa distancia, ¿qué RCS debe tener un blanco como mínimo para poder ser detectado por el radar?

Para facilitar los cálculos, partiendo de la ecuación básica del radar, se puede expresar en decibelios:


Se han empleado las propiedades de los logaritmos para separar los términos. G(dB) y Ls(dB) son la ganancia y las pérdidas expresadas en decibelios, tal y como aparecen en los datos técnicos.

Sabiendo que la distancia es R=110 000 metros (~60NM) y que la potencia mínima que debe llegar al radar es de 10logPe=-133.9 dB, se puede despejar la RCS para obtener el valor mínimo que debe tener un blanco para ser detectado a 110 km de distancia.

Ese valor es 10·log σ = 23.6 dB, es decir, 232 m2. Retomando los valores anteriores, vemos que un misil tiene una RCS que no pasa de 10 m2. Un caza no pasa de 100 m2 como máximo, parecido un avión pequeño; mientras que un gran reactor puede rondar hasta los 1000 m2. Es decir, a 60 NM, un misil no sería detectado por el radar. Un caza tiene un valor máximo por debajo del límite, por lo que según las circunstancias, o el tipo de caza concreto, es probable que no fuera detectado hasta que estuviera más cerca; más o menos lo que mismo que le puede pasar a un pequeño jet privado o una avioneta. En cambio, un avión comercial tipo Boeing 757 sí tiene probabilidades de ser detectado a 60 NM.

Lo cual no podría ser de otra forma, porque el radar está pensado para controlar el tráfico aéreo que en su mayor parte es comercial. Si el radar se diseña para alcanzar esa distancia, es lógico ajustar la potencia para poder detectar ese tipo de aviones.

En cualquier caso, el sistema de radar por ecos es actualmente un sistema de apoyo. Tanto los aviones comerciales como los cazas llevan un transpondedor (también llamado radar secundario) que envía a la torre su posición, altura, dirección, velocidad, etc… Aunque el radar primario (el de ecos del que estamos hablando) no pudiera detectar un caza, sí que aparecería en pantalla la señal del transpondedor si éste está encendido.

El 11 de Septiembre los terroristas desconectaron el transpondedor en 3 de los 4 aviones secuestrados, entre ellos el AA77, por lo que en las pantallas de los controladores sólo aparecía un eco de radar primario sin identificación alguna

¿A qué distancia apareció el eco de radar en Dulles? ¿Cuanto se acercó o alejó del radar?. En esta imagen se ha superpuesto la trayectoria [.pdf] del eco en el radar de Dulles (IAD) en un mapa de google.

Cada círculo concéntrico corresponde a 5 NM. El primer eco en Dulles aparece sobre las 9:25 hora local, a una distancia entre 47 y 50 NM (entre 86 y 92 km). El eco se acercó a menos 18 km, y se alejó hacia el Pentágono, haciendo el giro y desapareciendo.

Pero Dulles no fue el único radar que vio el eco. El aeropuerto de Baltimore (BWI) también lo captó. En el mapa está oscurecido el área que ambos radares cubrían (y sus límites marcados en verde) y se ve qué parte de la trayectoria podían ver simultáneamente en ambos aeropuertos. El primer eco apareció en Baltimore a las 9:28 hora local (13:28 UTC), a 60 millas de distancia del aeropuerto, y a unas 22 millas de Dulles.

(Imagen del radar del aeropuerto internacional de Baltimore-Washington (BWI), tras recibir 5 ecos del AA77 a 60 millas de distancia)

Para terminar, en la imagen también se ha añadido una “mapa” de la sección eficaz de radar mínima (zonas azules). Cada zona indica el valor mínimo de RCS que debería tener un blanco para ser detectado por ambos radares simultáneamente. La zona azul más oscura indica que un blanco debía tener una sección eficaz menor de 10 m2, lo que se estima para un misil. Fuera de esa zona, un misil no sería detectado por ambos radares a la vez. El azul más claro indica que en esa zona un blanco debe tener una RCS entre 10 y 100 m2, como mínimo, lo estimado para un caza de combate. Más lejos de esa zona, un caza podría no ser detectado por ambos radares a la vez.

Como el eco en realidad se recibe fuera de ambas zonas azules, la sección eficaz de radar mínima que tenía el blanco era superior a 100 m2.

Y por fin llegamos donde queríamos: ¿Qué puede ser, y qué no puede ser el eco?

No puede ser un misil. Un misil, con una sección eficaz de radar de 10 m2 o menor, quizás se hubiera podido ver en Dulles cuando estuviera a menos de 25 NM, pero no su trayectoria completa. Pero en Baltimore no se le hubiera podido ver ni acercarse, ni realizar el giro de 330º. No era posible ver el eco en ambos radares simultáneamente, por lo que un misil no pudo generar el asombro de los controladores de Dulles.

¿Podemos suponer que es un caza con el transpondedor apagado, que se acercó y lanzó un misil? Un caza que no esté preparado para ser invisible (como un F-22, un F-117 o un B-2) dependiendo de su tamaño, uno que tuviera una sección eficaz de radar rondando los 100 m2, se podría ver a partir de 45-50 millas. ¿Podría haber captado el radar de Baltimore su eco a 60 millas de distancia? Para afirmarlo o negarlo sin ningún género de dudas hace falta hilar más fino de lo que estamos haciendo aquí.

Supongamos que sí. Entonces ambos radares podían ver el eco simultáneamente.

Sin embargo, pudiéndose ver desde tan lejos, después de hacer el giro el eco desaparece en una zona donde no habría dudas de que puede ser detectado. Si el caza lanza un misil y huye de la escena del crimen, ¿por qué desaparece su eco, y no se capta la huída? La opción más razonable es pensar que el eco desaparece porque desaparece el blanco: el blanco se estrella contra el pentágono.

Pero ya hemos visto que no podía ser un misil. Lo cual nos llevaría a considerar otras teorías alternativas, como que lo que se estrelló allí fue un Globalhawk, que a veces se describe como un misil con alas que parece un “avión pequeño”, tal y como algún testigo dice que vio. Sin embargo, el Globalhawk no es un misil, y si parece un avión pequeño porque es un avión no tripulado.

Es un avión que se emplea en misiones de reconocimiento. Por dentro está lleno de sensores, ordenadores e instrumentación que le sirven para controlar el vuelo y recoger información, pero no lleva explosivos. Si se hubiera estrellado un Globalhawk en el pentágono, todo el daño vendría producido por su energía cinética, como haría un 757. Y claro, si ya hay pegas porque (según dicen) no se ven los restos del AA77 (más pesado y con mayor energía cinética), idénticos argumentos se deberían aplicar a esta opción: ¿dónde estarían los restos de un Globalhawk? Si los conspiranoicos no se creen que un 757 atravesara de parte a parte el anillo exterior del pentágono, ¿por qué habría de hacerlo un Globalhawk?

La última opción, que el eco era el AA77, no plantea problemas al radar. Su sección eficaz es mayor de 100 m2, quizás rondando los 1000 m2: se puede detectar por ambos radares desde su alcance máximo, y su señal desaparece al estrellarse en el pentágono.

Conclusión: ¿Qué vieron los radares de Dulles, Reagan, y Baltimore?

Vieron un objeto que se acercó en dirección Este, hizo un giro, y se estrelló contra el pentágono.

¿Fue el AA77, un Boeing 757? Los radares podían hacerlo porque están diseñados precisamente para ello, y otras pruebas y testimonios corroboran que eso fue lo que captaron los radares.

¿Pudo ser un caza o un avión pequeño? Dependiendo del tipo de avión o caza, podría haber sido detectado. Pero tendría que haber terminado su trayectoria estrellado contra el Pentágono y no hay ninguna prueba que permita confirmar esta interpretación. Y puestos a aceptar que fue un avión lo que se estrelló, un Boeing 757 tiene una mayor energía cinética y capacidad de destrucción en un choque que un Globalhawk, o un F-18.

¿Pudo ser un misil? No. El radar tiene capacidad para captar un misil a una distancia cercana, pero no para detectarlo desde tan lejos. Aunque se hubiera podido ver en el radar de Dulles, no se hubiera visto en el de Baltimore, por lo que hay que descartar esa posibilidad.