IL SISTEMA IRST di ricerca e tracciamento a infrarossi: L’EUROFIRST “PIRATE” e lo “SKYWARD” di Leonardo

Un sistema di ricerca e tracciamento a infrarossi (IRST) (a volte noto come avvistamento e tracciamento a infrarossi) è un metodo per rilevare e tracciare oggetti che emettono radiazioni infrarosse (Firma a infrarossi) come, carri, blindati, aerei a reazione ed elicotteri. 

L’IRST è un caso generalizzato di infrarossi lungimiranti (FLIR), ovvero dalla consapevolezza lungimirante alla consapevolezza della situazione a tutto tondo. Tali sistemi sono passivi (telecamera termografica), nel senso che non emettono alcuna radiazione propria, a differenza del radar. Questo dà loro il vantaggio che sono difficili da rilevare. Tuttavia, poiché l'atmosfera attenua l'infrarosso in una certa misura (sebbene non tanto quanto la luce visibile) e poiché anche le condizioni meteorologiche avverse possono attenuarlo (di nuovo, non così male come i sistemi visibili), la portata rispetto a un radar è limitata. All'interno del raggio, la risoluzione angolare è migliore del radar a causa della lunghezza d'onda più corta.

I primi sistemi

Il primo utilizzo di un sistema IRST sembra essere sui caccia Voodoo F-101, F-102 Delta Dagger e sugli intercettori F-106 Delta Dart. L'F-106 ebbe un primo montaggio di un sistema IRST, poi sostituito nel 1963 con un supporto retrattile di produzione. L'IRST fu anche incorporato nel caccia imbarcato Vought F-8 Crusader (variante F-8E) che consentiva il tracciamento passivo delle emissioni di calore ed era simile al successivo AAA-4 della Texas Instruments installato sui primi F-4 Phantom II. 

L'F-4 Phantom aveva un cercatore a infrarossi AAA-4 della Texas Instruments sotto il muso sui primi velivoli di produzione F-4B e F-4C e non installato sui successivi F-4-D a causa delle capacità limitate, ma mantenne il rigonfiamento e in effetti alcuni F-4D avevano il ricevitore IRST adattato in una forma modificata. 

L'F-4E eliminò il rigonfiamento dell’AAA-4 IRST e ricevette un supporto interno per il cannone Gatling che occupava l'area sotto il naso.  L'F-4J che aveva un radar Doppler a impulsi eliminò il ricevitore IRST AAA-4 e il rigonfiamento sotto il naso. 

Il primo utilizzo dell'IRST in un paese dell'Europa orientale avvenne con il MiG-23 che utilizzava l'IRST (TP-23ML) e le versioni successive utilizzavano l'IRST (26SH1).  Il Mikoyan-Gurevich MiG-25 PD era anche dotato di un piccolo IRST sotto il naso. 

Anche lo svedese Saab J-35F2 Draken (1965) usava un IRST, un Hughes Aircraft Company N71.

I sistemi IRST sono riapparsi su progetti più moderni a partire dagli anni '80 con l'introduzione di sensori 2-D, che individuavano sia l'angolo orizzontale che quello verticale. Anche le sensibilità erano notevolmente migliorate, portando ad una migliore risoluzione e portata. In anni più recenti sono entrati nel mercato nuovi sistemi. Nel 2015, la Northrop Grumman ha introdotto il suo pod IRST OpenPod (TM), che utilizza un sensore di Leonardo.

Sistemi ad apertura distribuita

Il sistema di ricerca e tracciamento a infrarossi dell’F-35 AN / AAQ-37 Distributed Aperture System (DAS), che si compone di sei sensori IR attorno all'aereo per una copertura sferica completa, fornisce immagini giorno / notte e funge da IRST e di sistema di allerta missilistico. 

Il caccia Chengdu J-20 e lo Shenyang FC-31 condividono il concetto di design simile con il loro sistema EORD-31 che fornisce una copertura IRST a 360 gradi.  I sistemi IRST possono essere utilizzati anche per rilevare velivoli invisibili, che in alcuni casi superano i radar tradizionali. 

Si tratta di sistemi abbastanza semplici costituiti da un sensore a infrarossi con davanti un otturatore rotante orizzontalmente. L'otturatore viene asservito ad un display del radar di intercettazione principale nella cabina di pilotaggio. Qualsiasi luce IR che cade sul sensore genererebbe un "pip" sul display, in modo simile ai B-scope usati sui primi radar. Il display è destinato principalmente a consentire all'operatore radar di ruotare manualmente il radar all'angolo approssimativo del bersaglio, in un'epoca in cui i sistemi radar dovevano essere "agganciati" manualmente. Il sistema era considerato di utilità limitata e con l'introduzione di radar più automatizzati scomparvero per qualche tempo dai progetti di caccia.

La gamma di rilevamento varia in base a fattori esterni come:

• nuvole
• altitudine
• temperatura dell'aria
• l'atteggiamento del bersaglio
• velocità del bersaglio.

Maggiore è l'altitudine, meno densa è l'atmosfera e minore è la radiazione infrarossa che assorbe, specialmente a lunghezze d'onda maggiori. L'effetto di riduzione dell'attrito tra l'aria e l'aereo non compensa la migliore trasmissione della radiazione infrarossa. Pertanto, gli intervalli di rilevamento a infrarossi sono più lunghi ad altitudini elevate.

Ad altitudini elevate, le temperature variano da −30 a −50° C, il che fornisce un migliore contrasto tra la temperatura del velivolo e la temperatura di fondo.

Il sistema “PIRATE IRST” dell'Eurofighter Typhoon è in grado di rilevare caccia subsonici da 50 km dalla parte anteriore e 90 km dal posteriore; il valore maggiore è la conseguenza dell'osservazione diretta dello scarico del motore, con un aumento ancora maggiore possibile se l'obiettivo utilizza postbruciatori. Il raggio al quale un bersaglio può essere identificato con sufficiente sicurezza per decidere il rilascio dell'arma è significativamente inferiore al raggio di rilevamento: i produttori hanno affermato che è circa il 65% del raggio di rilevamento.

Tattiche

Con i missili homing a infrarossi o spara e dimentica, il velivolo può essere in grado di lanciare sul bersaglio senza dover accendere i suoi dispositivi radar. Altrimenti, se lo desidera, il caccia può accendere il radar e ottenere un blocco immediatamente prima di sparare; potrebbe anche avvicinarsi al raggio del cannone e impegnarsi in quel modo. Che utilizzino o meno il radar, il sistema IRST può comunque consentire loro di lanciare un attacco a sorpresa.

Un sistema IRST può anche avere un normale mirino ottico ingrandito asservito, per aiutare l'aereo dotato di IRST a identificare il bersaglio a lungo raggio. A differenza di un normale sistema a infrarossi che guarda in avanti, un sistema IRST effettivamente scansionerà lo spazio intorno all'aereo in modo simile al modo in cui funzionano i radar guidati meccanicamente (o anche elettronicamente). L'eccezione alla tecnica di scansione è il DAS dell'F-35 JSF, che guarda simultaneamente in tutte le direzioni e rileva e dichiara automaticamente aerei e missili in tutte le direzioni, senza limite al numero di bersagli tracciati simultaneamente.

Quando trovano uno o più potenziali bersagli, avviseranno i piloti e visualizzeranno la posizione di ciascun bersaglio rispetto all'aereo su uno schermo, proprio come un radar. Ancora una volta, analogamente al modo in cui funziona un radar, l'operatore può ordinare all'IRST di tracciare un particolare bersaglio di interesse, una volta che è stato identificato, o di scansionare in una particolare direzione se si ritiene che sia presente un bersaglio (ad esempio, a causa di un consulenza dell'AWACS o di un altro aeromobile).

I sistemi IRST possono incorporare telemetri laser per fornire soluzioni complete di controllo del fuoco per il fuoco dei cannoni o il lancio di missili (Optronique secteur frontal). La combinazione di un modello di propagazione atmosferica, la superficie apparente del bersaglio e l'analisi del movimento del bersaglio (TMA) IRST può calcolare l'intervallo.

L'Usaf sta attualmente mettendo a punto un sistema IRST per i suoi aerei F-15EX. 

Elenco dei moderni sistemi IRST - I sistemi IRST moderni più conosciuti sono:

 Cina:

• Chengdu J-10B
• Shenyang J-11/15/16
• Chengdu J-20 (EORD-31 con copertura IRST a 360 gradi denominata sistema di apertura distribuita)

 Francia:

• Dassault Rafale (Optronique secteur frontal OSF) 

 Russia:

• Su-27/30/35 Flanker (OEPS-27/30; OLS-35) 
• Mikoyan MiG-31 (8TK) 
• MiG-29/35 (OEPS-29 / OLS-13SM-1) 
• Sukhoi Su-57 (101KS-V)

 Svezia:

• Saab JAS 39 Gripen E / F ( Selex ES Skyward-G) 

 Regno Unito / Germania / Italia / Spagna:

• Eurofighter Typhoon ( EUROFIRST PIRATE) 

Stati Uniti:

• Grumman F-14 Tomcat (AN / AAS-42 IRST) 
• Boeing F-15K Slam Eagle
• Boeing F-15SG Strike Eagle
• Boeing F-15SA Advanced Eagle
• Boeing F-15QA Advanced Eagle
• Boeing F-15IA Advanced Eagle
• Boeing F-15EX Advanced Eagle
• Lockheed Martin F-16 E / F Block 60/62 (AN / AAQ-32 IFTS)
• Boeing F / A-18E / F Super Hornet (Blocco III)
• Lockheed Martin F-35 Lightning II ( AN / AAQ-37 sistema di apertura distribuita elettro-ottica (DAS) con IRST a 360 gradi, rilevamento / avviso di missili e capacità di visione diurna / notturna, progettato e prodotto da Northrop Grumman Electronic Systems).

Questi aerei da combattimento attivano i sistemi IRST al posto del radar quando la situazione lo richiede, come quando si seguono altri aeromobili, sotto il controllo di aeromobili di preallarme e controllo aereo (AWACS) o eseguono un'intercettazione controllata da terra (GCI), dove un radar esterno viene utilizzato per aiutare il vettore dell’intercettazione verso un bersaglio e l'IRST viene utilizzato per raccogliere e tracciare il bersaglio una volta che il velivolo ostile è nel raggio d’azione.

L’EUROFIRST “PIRATE”

L'EuroFirst Passive Infrared Airborne Track Equipment PIRATE utilizza la ricerca e traccia in avanti a infrarossi (FLIR) / infrarossi (IRST) per l'Eurofighter Typhoon. È prodotto dal consorzio EuroFIRST composto da Leonardo SpA in Italia (appaltatore principale e autorità di progettazione e tecnica), THALES Land & Joint Systems del Regno Unito e TECNOBIT in Spagna. Il sistema è montato sul lato sinistro della fusoliera, davanti al parabrezza e fornisce mezzi passivi e quindi non rilevabili e non bloccabili di sorveglianza a lungo raggio. Inoltre, è stato dimostrato che il sistema individua velivoli stealth a una "distanza significativa" con ulteriori miglioramenti nel rilevamento tramite aggiornamenti software. Il PIRATE rileva il calore causato dall'attrito dell'aria sulla superficie esterna di un aeromobile.

Nel 1989 Thorn-EMI e FIAR, e GEC Avionics e Pilkington e Ferranti concorsero per sviluppare un sistema IRST per l'Eurofighter. Nel 1991, la Germania decise di non partecipare allo sviluppo a causa di problemi di costi, ma si riservò il diritto di utilizzare il sistema.  Nel settembre 1992, Thorn-EMI (ora Thales) vinse finalmente la gara con l'italiana FIAR (ora Leonardo) e la spagnola Eurotronica per il sensore a infrarossi degli Eurofighter, basato sull'Air Defense Alerting Device (ADAD), e continuò a formare il consorzio EuroFirst. I test di volo furono avviati nel 2001 testando la funzione FLIR nel corso di voli sperimentali tra Torino e la Sardegna. Successivamente, il FLIR fu utilizzato anche per coordinare l'integrazione negli elementi di visualizzazione dell'Eurofighter. Il primo Eurofighter Typhoon equipaggiato con il PIRATE apparteneva alla tranche 1 block 5 e consegnato all'Aeronautica Militare italiana nell'agosto 2007. 

Sensore

Il PIRATE è un sensore a infrarossi passivo, rotante e raffreddato ad alta risoluzione, noto anche come sensore a infrarossi per immagini; secondo le informazioni disponibili, opererebbe in due bande IR, 3–5 e 8–11 micrometri. La cupola visibile esternamente è solo la testa del sensore ruotabile azimutalmente, che contiene lo specchio inclinabile. Entrambi gli elementi sono stati stabilizzati, l'azimut massimo e l'intervallo di elevazione sono probabilmente 150° × 60°. Il sensore è costituito da un singolo elemento sostituibile in linea (LRI), che a sua volta contiene quattro sottosistemi: il modulo della testa del sensore con la testa del sensore stabilizzata, il rivelatore, il processore del servocomando e l'elettronica per l'adattamento del segnale. Il computer di elaborazione dati per rilevare e tracciare i bersagli, il processore video per la visualizzazione delle immagini dell'immagine a infrarossi su HUD, HMD o MHDD. Il sensore è collegato a MIL-STD-1553 e si collega a un bus STANEG 2910. Processori PowerPC sono stati utilizzati per l'elaborazione del segnale. Il sensore è 680 × 591 × 300 mm (L x P x A) e pesa 48 chilogrammi.

Modalità operative

Il “PIRATE” è fondamentalmente un sistema IRST (Track-While-Scan) di ricerca e tracciamento a infrarossi che esegue anche le tradizionali funzioni di navigazione FLIR. Può tracciare e assegnare priorità fino a 500 obiettivi contemporaneamente. Nel ruolo aria-aria, l'apparecchiatura rileva passivamente, traccia, classifica e assegna la priorità a bersagli aerei multipli sotto tutti gli aspetti, look-up, look-down e condizioni di co-altitudine.  Le funzioni IRST sono completamente integrate nel sottosistema di attacco e identificazione dell'aeromobile e possono essere dirottate verso aree di ricerca e tracciamento specifiche a seguito di comandi sul bus di comunicazione. Il pilota ha diverse modalità operative selezionabili a seconda del particolare requisito della missione di combattimento. Queste immagini vengono visualizzate sul display Head Up (HUD), sul display multifunzione Head Down (MHDD) o sulla visiera del casco dei piloti. Il PIRATE è in grado di funzionare in ciascuna delle seguenti modalità IRST: 

• Tracciamento di più bersagli: quando il coinvolgimento (rilevamento, tracciamento e prioritizzazione) di più bersagli in A / A, è possibile eseguire operazioni di ricerca su / giù sull'intero campo di osservazione o in un volume selezionabile. Sono disponibili anche dati passivi.
• Tracciamento singolo bersaglio: dove è possibile comandare il tracciamento dell'angolo di un singolo bersaglio acquisito. È disponibile la capacità di riacquisizione automatica.
• Acquisizione schiavo: dove la linea di vista è asservita ad angoli di puntamento definiti esternamente e viene attivata l'acquisizione automatica di un singolo bersaglio.

Il PIRATE fornisce anche immagini TV IR ai display della cabina di pilotaggio in conformità con le seguenti modalità FLIR:

• Aiuto per volo / atterraggio
• Immagine IR orientabile sul casco (SIRPH): il sensore IRST è accoppiato al movimento della testa del pilota. Il sensore quindi guarda dove sta guardando il pilota, l'immagine FLIR viene proiettata sul display head-up.
• Identificazione.

La portata del sensore è un segreto gelosamente custodito dal consorzio EuroFirst ma confermato essere superiore a 74 km.  La RAND Corporation riporta distanze di 50 nm (93 km) da un bersaglio subsonico dalla parte anteriore e fino a 90 nm dalla parte posteriore di un bersaglio subsonico. Tuttavia, le condizioni meteorologiche influenzeranno in modo significativo le prestazioni della ricerca del bersaglio basata sugli infrarossi e del tracciamento del bersaglio.  Nel 2013, si diceva che il raggio di rilevamento del PIRATE fosse ulteriormente aumentato dagli aggiornamenti software.

IL SISTEMA “SKYWARD-G” di Leonardo

Il sistema SkyWard offre funzionalità all'avanguardia nella ricerca e tracciamento a infrarossi (IRST). Lo SkyWard si basa sulla vasta esperienza  italiana nel campo degli IRST per i sistemi aerotrasportati e navali. Lo SkyWard è stato progettato e sviluppato da Leonardo per soddisfare i requisiti più esigenti degli aerei da caccia di quinta generazione con una soluzione incorporata. È inoltre disponibile una configurazione pod per consentire una facile installazione su piattaforme esistenti. Comprende due unità sostituibili in linea (LRU): un'unità testina sensore (SHU) e un'unità processore (PU).

CARATTERISTICHE PRINCIPALI:

• Funzionamento passivo (immune al rilevamento elettronico e alle contromisure RF)
• IR a onde medie o lunghe
• Rilevamento a lungo raggio
• Ampio volume di scansione
• Campo visivo selezionabile (FOV):
• Architettura aperta
• Raffreddato ad aria
• Ampia suite di modalità aria-aria, aria-superficie e di navigazione collaudate sul campo
• Rilevamento e tracciamento di un numero elevato di target
• Algoritmi per un basso tasso di falsi allarmi
• Capacità di crescita per estendere le funzionalità esistenti, tra cui rilevatore a doppia banda IR e fusione di sensori con radar
• Gamma passiva.

Il sistema equipaggia il nuovo Gripen E dell'Aeronautica Militare svedese con 60 Skyward G-IRST (ricerca e traccia a infrarossi), sistemi di ricerca e binario a infrarossi realizzati nello stabilimento Leonardo di Nerviano (Milano). Lo Skyward-G IRST è un sensore elettro-ottico a lungo raggio. È un sistema passivo che non emette segnali propri quando è in uso. Rileva le tracce di calore di altri sistemi aerotrasportati ma non può essere rilevato dal nemico. Ciò fornisce un grande vantaggio tattico. Con l'IRST i caccia Eurofighter o Gripen possono rilevare e tracciare obiettivi ostili, inclusi aerei, navi militari e veicoli terrestri. Il sistema offre anche una significativa capacità di "contro-furtività" e, se usato da solo o in combinazione con gli altri sensori, può produrre informazioni di tracciamento ad alta fedeltà contro bersagli complessi su lunghe distanze, ben oltre il raggio visivo.

Secondo il sito di RID, Leonardo sta attualmente sviluppando un IRST (Infra Red Search and Track) di nuova generazione più evoluto dell’attuale SKYWARD. Diversamente da quest’ultimo, infatti, Leonardo sta mettendo a punto una sensor unit di nuova generazione a doppia banda (dual band): essa combinerà quindi il Long Wave Infra Red (LWIR) con il Medium Wave Infra Red (MWIR) mantenendo pesi, consumi elettrici e geometrie del modello precedente che può essere fornito in versione LWIR o MWIR, a seconda delle scelte del cliente: nel caso di questo ultimo sviluppo, invece, LWIR e MWIR saranno presenti nel medesimo sistema, con vantaggi in termini prestazioni e portata.  Come noto agli appassionati, i sistemi di ricerca e tracciamento a infrarossi sono un elemento essenziale degli aerei da combattimento moderni e futuri. Le funzioni di ricerca, rilevamento e tracciamento automatico passivo sono punti chiave per operazioni occulte e segrete. Lo SKYWARD rappresenta l'ultima evoluzione della tecnologia IRST in cui componenti elettro-ottici di alta qualità, algoritmi avanzati, soluzioni hardware e software efficienti sono armonicamente integrati per fornire prestazioni di fascia alta a prezzi accessibili alle nazioni alleate.  Inoltre, la riduzione degli elementi opto-meccanici critici ottimizza il peso e il volume e aumenta l'affidabilità complessiva. Sono disponibili molteplici modalità operative dedicate a diverse situazioni; molte opzioni possono essere selezionate tra il tracciamento di bersagli multipli o singoli, per la sorveglianza o il coinvolgimento, e l'imaging, per l'atterraggio o l'aiuto alla navigazione, garantendo la massima flessibilità del sistema.  Il sensore 2D-IR di alta qualità è sfruttato da più catene di elaborazione parallele, basate su tecniche lineari e non lineari, per estrarre i possibili target dallo sfondo, in diverse condizioni, con controllo del tasso di falsi allarmi. Un processore di tracce ampiamente testato gestisce simultaneamente una grande quantità di target candidati e consente di discriminare i target reali dal rumore mentre si opera con un contrasto tra target basso e sfondo. La capacità di fornire una stima affidabile dell'intervallo passivo è un ulteriore elemento qualificante del sistema. Particolare cura è stata dedicata alle non uniformità del rivelatore, un possibile fattore limitante per il rilevamento di bersagli distanti, nonché alla progettazione dell'elettro-ottica per un ambiente aereo ostile. Il sistema può essere configurato per lunghezze d'onda LWIR o MWIR in base alle esigenze operative del cliente. Un registratore di dati incorporato salva tutte le immagini ed i dati necessari per il debriefing della missione, particolarmente utile durante l'integrazione e la messa a punto del sistema in volo.

(Web, Google, Wikipedia, RID, You Tube)