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martes, noviembre 12, 2019
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Escuchando el océano: los habilitadores secretos en la batalla submarina

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Es fundamental en la batalla en curso para detectar submarinos hostiles una red poco conocida de sensores oceánicos que apoyan el despliegue más visible de fragatas y aviones de patrulla marítima. Aquí examinamos la historia y el desarrollo de esta red, una clave para el poder marítimo del Reino Unido.

El Sistema de Vigilancia de Sonido (SOSUS) con nombre en código Proyecto César, se inició en 1954 como un programa clasificado de los EE. UU. Para utilizar una extensa red de hidrófonos colocados en el fondo del mar para rastrear submarinos soviéticos. La tecnología fue refinada con éxito y le dio a la OTAN una gran ventaja sobre sus adversarios submarinos durante la Guerra Fría. El Reino Unido ha sido afortunado de tener participación y acceso a este proyecto desde los primeros días. SOSUS se había construido bajo la tapadera de la investigación oceanográfica civil y no se hizo público hasta 1991. Los soviéticos ignoraban su importancia hasta que se les reveló su existencia y escala en la inteligencia que el anillo de espías Walker les transmitió. 1970 y 80. Los submarinos soviéticos eran notoriamente ruidosos y fáciles de detectar, pero, en parte al enterarse de las capacidades de detección pasiva de SOSUS, comenzaron a construir submarinos más silenciosos. En general, los submarinos estadounidenses y RN eran considerablemente más sigilosos, pero Rusia ahora ha cerrado esa brecha, sus submarinos más nuevos son comparables a los diseños de la OTAN en términos de sigilo.

SOSUS comprendía arreglos de hidrófonos lineales pasivos fijos para la detección de largo alcance del ruido irradiado por los submarinos. En términos simples, los ruidos de la maquinaria y los efectos de cavitación de una hélice submarina pueden detectarse potencialmente a cientos de kilómetros de distancia porque el agua de mar es un muy buen conductor de la energía del sonido. Usando hidrófonos en lugares dispersos es posible triangular y localizar la fuente del ruido en un punto preciso del océano. Las matrices se colocaron en puntos estratégicos alrededor del Atlántico y el Pacífico y transmitieron información a las estaciones costeras a través de cables submarinos. Las estaciones costeras estaban conectadas por satélite y líneas telefónicas. En su apogeo de la Guerra Fría, SOSUS empleó a alrededor de 4.000 personas que trabajan en 20 estaciones costeras. En 1974, se construyó una estación SOSUS en RAF Brawdy en Gales y en 1980 más de 300 personas se estacionaron allí, analizando datos acústicos recopilados de conjuntos ubicados alrededor de las Islas Británicas.
Cuello de la presa

En octubre de 1995, NAVFAC Bawdy fue cerrado y sus funciones se trasladaron a la Instalación Marítima Conjunta en RAF St. Mawgan en Cornwall. En 2009, St Mawgan se cerró y la operación combinada de la USN y la británica se trasladó a la Instalación de Procesamiento Operativo de la Marina (NOPF) en Dam Neck en Virginia. Los datos recopilados de los sensores oceánicos a través del Atlántico ahora se procesan en esta única instalación antes de que la inteligencia pase a la primera línea. (Hay una instalación paralela que sirve a la región del Pacífico en NOPF Whidbey Island en el estado de Washington). Debe suponerse que el análisis y la información de seguimiento de submarinos reunidos aquí se transfieren a la sede central conjunta del Reino Unido en Northwood a las Operaciones Marítimas del Comandante RN (COMOPS), donde se utilizan para indicar a los submarinos y buques de guerra sus objetivos.

En la foto los aproximadamente 50 dela Royal Navy y personal de la RAF estacionados en NOPF Dam Neck, Virginia (2014). Reciben poca mención en comparación con otros que sirven en los Estados Unidos, por ejemplo, en el intercambio P-8 o con el programa F-35.

A fines de la década de 1980, SOSUS había evolucionado para convertirse en una parte de lo que ahora se conoce como Sistema Integrado de Vigilancia Submarina (IUSS). Las naves sonar de arrastre remolcado construidas específicamente se integraron en el sistema en forma de naves del Sistema de sensor de matriz remolcada de vigilancia (SURTASS). Diseñados para ser silenciosos, estables en todos los climas y capaces de rastrear objetivos a larga distancia desde la ubicación óptima, sus datos se transmiten a las estaciones terrestres de IUSS por satélite. A diferencia de las matrices de fondos marinos SOSUS, también incorporan transductores activos de baja frecuencia (banda LFA 100-500hz) que transmiten energía al agua. Si se refleja de nuevo en el objetivo, el sonido es detectado por las largas matrices pasivas que se encuentran detrás de la nave. El RN no tiene el lujo de plataformas de arrastre remolcado dedicadas de un solo rol, pero 8 de las 13 fragatas Tipo 23 llevan el reconocido sistema Tipo 2087. Los submarinos RN también despliegan matrices remolcadas que deben estar unidas al submarino por un buque de apoyo antes de partir para una patrulla. Después del “pivote de Asia”, las embarcaciones SURTASS ahora operan casi exclusivamente alrededor de la costa china y el Pacífico occidental, pero la USN está en el proceso de equipar a todos sus destructores y cruceros con una nueva matriz remolcada multifunción TB-37 / U (MFTA) sistema de sonar.

Durante la Guerra Fría, el pacto de Varsovia había desplegado sus propias plataformas remolcadas, aunque es probable que no fueran tan efectivas como sus equivalentes occidentales. Durante ‘Operation Barmaid‘ en agosto de 1982, el HMS Conqueror fue equipado con pinzas especiales y, sin ser detectado, logró cortar y robar una matriz perteneciente a un AGI polaco para llevarlo a los EE. UU. Para su análisis.

El sistema de sonda Tipo 2087 en una fragata Tipo 23. El “extremo húmedo” comprende el LFA (cuerpo remolcado amarillo) y una matriz pasiva. Es probable que los Tipo 23 también puedan cargar datos de sonda a través de satélite en tiempo real para contribuir al panorama general de la red IUSS. Este equipo será transferido a la fragata Tipo 26 cuando entren en servicio. Su arquitectura abierta permitirá que el software se actualice continuamente.

El comportamiento de las ondas sonoras en el agua varía enormemente dependiendo de las condiciones como la profundidad, las corrientes, la salinidad y las capas de temperatura. Estas variables afectarán si, cuándo y dónde se pueden detectar los submarinos. El buque de prospección hidrográfica oceánica de la Royal Navy, HMS Scott, no solo recopila datos para crear cartas, sino que también aporta información oceanográfica tanto para las operaciones submarinas como para la guerra antisubmarina. Al comprender la composición de la columna de agua, ayuda a los submarinos disuasivos a saber dónde pueden estar más seguros de la detección. Para el cazador de submarinos, comprender la composición del océano les ayuda a predecir cómo funcionarán sus sonares. A medida que los submarinos se han vuelto más silenciosos, ASW ha tenido que regresar a una mayor dependencia del sonar activo. El sonar activo proporciona una solución más precisa sobre la ubicación del objetivo, pero tiene la desventaja de alertar inmediatamente al submarino de que está siendo rastreado.

El USNS Zeus es la capa de cable dedicada de la marina de los EE. UU. Y se emplea principalmente para construir y mantener la red de hidrófonos IUSS. El Zeus ha sido un visitante habitual de las aguas del Reino Unido en los últimos tiempos, visto aquí junto a Devonport durante 2015

China y Rusia estimulan nuevos desarrollos de ASW en EE. UU.

Estados Unidos está ahora en el proceso de hacer la mayor actualización al IUSS desde la Guerra Fría. El componente clave es el Sistema de explotación de trayectoria acústica profunda y confiable (DRAPES). Este sistema dependerá mucho menos de los cables del fondo marino potencialmente vulnerables y utiliza módems acústicos que pasan datos a través del agua, lo que permite la creación de algo así como una red inalámbrica submarina. Las comunicaciones inalámbricas subacuáticas han estado disponibles durante algún tiempo, pero solo a un ancho de banda relativamente bajo y de corto alcance. Los avances recientes permiten ampliar esto y transmitir volúmenes de datos mucho mayores. Los datos del sensor acústico se pueden transmitir a largas distancias a través de una serie de nodos que pueden incluir otros conjuntos de hidrófonos, vehículos submarinos no tripulados (UUV), vehículos de superficie no tripulados (USV) o una boya de superficie. Luego, los datos se envían por satélite a Dam Neck para su evaluación o a buques de superficie cercanos y AMP. La USN también está experimentando con el buque no tripulado ASW Continuous Trail (ACTUV). Esta nave de resistencia prolongada puede desplegar sonar específicamente diseñado para detectar y rastrear submarinos convencionales muy silenciosos y será otro nodo en la red que alimenta datos vía satélite a IUSS.

La USN ya ha demostrado este concepto con su sistema Seaweb, pero está diseñado para su uso en aguas litorales poco profundas de menos de 300 metros de profundidad. DRAPES tendrá una escala mucho mayor y podrá abarcar las profundidades del océano. Las matrices de líneas verticales de trayectoria acústica confiable (RAPVLA), sistemas de sensores de alto grano montados en la parte inferior, se colocarán a profundidades significativas en el océano abierto donde los niveles de ruido de fondo son bajos. Esto les da un campo de visión muy grande para detectar submarinos que pasan por encima. Estos son un equivalente marítimo de un satélite y se conocen como subullitas. El camino acústico confiable (RAP) se refiere a las aguas densas y más tranquilas en las partes más profundas del océano donde la transmisión del sonido es más detectable y predecible.

Desde 2013, EE. UU. Ha estado probando un vehículo submarino no tripulado (UUV) diseñado para proporcionar un sonar activo móvil para rastrear submarinos después de que otra plataforma haya realizado la detección inicial. Puede permanecer latente en el fondo del océano, potencialmente durante años hasta que se active para seguir a un submarino que se haya detectado.
Aunque los submarinos se están volviendo aún más silenciosos y hay más ruido de fondo hecho por el hombre en las partes menos profundas de los océanos que nunca, IUSS tiene la ventaja de la enorme potencia de procesamiento por computadora disponible en la actualidad. Las computadoras pueden analizar rápidamente grandes volúmenes de datos del sensor para filtrar el ruido de fondo y amplificar incluso el leve sonido revelador del submarino.

La ubicación de una explosión que apunta a la pérdida del submarino ARA San Juan se estableció utilizando conjuntos de hidrófonos oceánicos. La historia oficial es que la fuente de la ubicación fue la información recopilada por hidrófonos pertenecientes a la Organización del Tratado de Prohibición Completa de Pruebas Nucleares (CTBTO). Es posible que esta sea una historia de portada para una solución más precisa proporcionada por la red IUSS más sofisticada y extensa, aunque su cobertura del Atlántico Sur es menor que la del Norte.

Los informes recientes sobre el aumento de la actividad de los submarinos rusos en las aguas alrededor de Escocia y la brecha GIUK (Groenlandia-Islandia-Reino Unido) probablemente se deben a detecciones iniciales por sensores IUSS. Los medios de comunicación han sugerido que “confiemos en los pescadores escoceses que informan cuando ven un periscopio” pero, por supuesto, las detecciones iniciales probablemente provienen de conjuntos de hidrófonos de fondo marino o conjuntos remolcados arrastrados por fragatas y submarinos. Es poco probable que los aviones de la Patrulla Marítima de la OTAN que vuelan desde la RAF Lossiemouth o la Base Aérea Keflavik en Islandia encuentren un submarino por casualidad y también deben confiar en gran medida en estos datos para indicarles el área aproximada antes de que puedan localizar contactos submarinos con sonoboyas.

La fuerza submarina de la RN parece haberse recuperado ligeramente de los defectos materiales que limitaron sus operaciones en los últimos 18 meses más o menos y el servicio ahora se describe como “ocupado”. Podemos suponer que los SSN tienen mucha demanda para rastrear submarinos rusos en el Atlántico Norte. Observar el reciente aumento en la SSN de la Marina de los EE. UU. De Virginia y Los Ángeles que visitan Faslane también confirma esto. El IUSS, las unidades de superficie y las AMP contribuyen, pero un submarino es, con mucho, la mejor plataforma para detectar otro submarino y luego seguirlo.

Esta batalla submarina de ingenio y tecnología ha variado en intensidad desde que la guerra submarina comenzó en serio en la Primera Guerra Mundial. Gran Bretaña ha estado dos veces cerca del borde de la inanición y la derrota, ya que su sangre vital del transporte de mercantes casi fue cortada por los submarinos. Hoy podemos decir que somos más vulnerables a esta amenaza que nunca. Los gigantescos contenedores modernos que entregan mercancías al Reino Unido pueden tener cargas valoradas en millones de libras y transportar el equivalente a un convoy de 50 buques de la Segunda Guerra Mundial. También dependemos de un flujo constante de camiones cisterna que suministran GNL desde el Medio Oriente para mantener en funcionamiento muchas de nuestras centrales. Incluso uno o dos submarinos bien manejados podrían interrumpir fácilmente este envío y rápidamente causar caos y parálisis económica en el Reino Unido. Para que la RN lleve a cabo un ataque de portaaviones y otras operaciones navales ofensivas, un requisito previo será tener la ventaja en la batalla submarina. IUSS es una parte crítica y poco conocida de esta lucha, cada centavo invertido en equipo, capacitación y desarrollo de medidas antisubmarinas es dinero bien gastado.

SOSUS consta de conjuntos de hidrófonos montados en la parte inferior conectados por cables de comunicación submarinos a las instalaciones en tierra, como una Instalación Naval remota (NAVFAC) y una Instalación de Procesamiento del Océano Naval y Centro de Meteorología (NOPF / MEC)

¿Cómo se usa el sonido para encontrar submarinos?
 
Los submarinos tienen una ventaja única sobre otros tipos de buques militares porque pueden permanecer ocultos debajo de la superficie del mar. Una forma de detectar y localizar submarinos es mediante el uso de acústica pasiva o acústica activa.

El objetivo de la acústica pasiva es detectar los sonidos producidos por un submarino, como la hélice, el motor y el ruido de la bomba. Estos sonidos pueden ser identificados por operadores de sonar experimentados. Cada tipo de submarino tiene un perfil de sonido único que constituye la “firma” acústica de la embarcación. Los submarinos mismos están equipados con sistemas de sonar pasivos, como conjuntos de hidrófonos remolcados que se utilizan para detectar y determinar la posición relativa de las fuentes acústicas subacuáticas.
Sistema Integrado de Vigilancia Submarina (IUSS)

El sistema de vigilancia de sonido (SOSUS) es una red de conjuntos de hidrófonos acústicos pasivos en el fondo marino. Durante la Guerra Fría, a principios de la década de 1950, la Marina de los EE. UU. Colocó matrices SOSUS en áreas estratégicas de la plataforma continental en los océanos Pacífico Norte y Atlántico Norte para escuchar los submarinos. Los conjuntos de hidrófonos están conectados a estaciones costeras donde se analizan los datos acústicos. Inicialmente, SOSUS tuvo mucho éxito en detectar y rastrear el ruido producido por los submarinos soviéticos. A principios de la década de 1980, se estimó que SOSUS era capaz de determinar la ubicación de un submarino ruso de misiles balísticos con una precisión de 93 km (50 millas náuticas) o menos.

 
SOSUS a mediados de la década de 1970. Las estrellas negras representan sitios NAVFAC; Las dos estrellas blancas representan los comandos del sistema oceánico

En la década de 1980, la red de matrices fijas se vio aumentada por barcos de vigilancia acústica que implementaron el Sistema de sensores de matriz remolcada de vigilancia (SURTASS), que es una matriz de línea remolcada de más de 2,400 m (8,000 pies) de largo. Debido a que se usan en una plataforma móvil, SURTASS aumenta enormemente el área donde se pueden encontrar submarinos. Los sistemas combinados SURTASS y SOSUS son parte del Sistema Integrado de Vigilancia Submarina (IUSS). Al final de la Guerra Fría a fines de la década de 1980, la capacidad de la acústica pasiva para detectar y rastrear submarinos nucleares soviéticos a grandes distancias había disminuido significativamente. Los submarinos diesel-eléctricos modernos son más silenciosos y más difíciles de detectar mediante la escucha pasiva.
 
IUSS a fines de la década de 1980. Las estrellas negras representan sitios NAVFAC o NOPF; Las dos estrellas blancas representan los comandos del sistema oceánico.

En la década de 1990, la red SOSUS clasificada se abrió a los científicos con permisos de seguridad para estudiar los mamíferos marinos y las condiciones de ruido ambiental. Los artículos científicos publicados demuestran la escala de cuenca oceánica y la investigación de series de tiempo a largo plazo que se pueden realizar con SOSUS.
Sistemas de sonda activa

La Armada también puede usar la acústica activa para encontrar submarinos de la misma manera que las personas usan la acústica activa para encontrar peces (ver “¿Cómo se usa el sonido para localizar peces?”). Al transmitir un pulso de sonido y recibir el eco en una matriz, los sonares pueden determinar la dirección de los ecos que regresan de los objetos golpeados por el sonido. También pueden medir el tiempo que tardan los ecos en regresar y calcular la distancia al objeto que causa el eco. Un operador de sonda experto o un programa de computadora puede distinguir los ecos submarinos de los de las características del fondo del océano, las ballenas, los bancos de peces, etc. Se sigue investigando mucho para clasificar los tipos de ecos que hacen los diferentes objetos.

Básicamente, existen dos tipos de sistemas acústicos activos empleados por las armadas de todo el mundo. Los sonares de baja frecuencia se utilizan para vigilancia de largo alcance (del orden de cientos de kilómetros). La Marina de los EE. UU. Ha desarrollado el sistema SURTASS LFA (Low Frequency Active) que utiliza una matriz vertical de 18 proyectores para transmitir señales en el rango de frecuencia de 100-500 Hz, con los ecos recibidos por la matriz remolcada SURTASS. El nivel de fuente de cada proyector es de aproximadamente 215 dB bajo el agua a 1 m; Todo el conjunto de proyectores tiene un nivel de fuente efectivo de 230 a 240 dB bajo el agua a 1 m.

Las sondas que funcionan a frecuencias de 2 a 10 kHz se utilizan para encontrar y rastrear objetivos bajo el agua a rangos de decenas de kilómetros. En los Estados Unidos se les llama “sondas de frecuencia media”, mientras que en otros países pueden llamarse “sondas de baja frecuencia”. Un sistema de sonda de frecuencia media de EE. UU. (AN / SQS-53C), alojado en una cúpula bulbosa montada en el casco de un barco, utiliza pulsos centrados a 2.6-3.3 kHz (y que van de 1-5 kHz), con niveles de fuente efectivos de 235 dB bajo el agua a 1 m con longitudes de ping de aproximadamente 1-3 segundos. Un tema controvertido y no resuelto es cómo el uso del sonar militar de frecuencia media se relaciona con varamientos de mamíferos marinos, particularmente varamientos de algunas especies de ballenas pico.

 

 

Sonoboyas

Otro sistema acústico para ayudar en la guerra antisubmarina es el sistema de sonoboyas de la Marina de los EE. UU. Las sonoboyas usan un transductor y un transmisor de radio para grabar y transmitir sonidos bajo el agua. Las aeronaves pueden arrojar estos instrumentos al agua desde altitudes de hasta 30,000 pies. Una vez que una sonoboya llega al agua, despliega un flotador de superficie inflable con un transmisor de radio para comunicarse con el avión y el transductor desciende por debajo de la superficie del mar hasta una profundidad de agua seleccionada. Se pueden desplegar varias sonoboyas en un patrón para determinar la ubicación exacta de un objetivo.

La sonoboya direccional de análisis y grabación de frecuencia (DIFAR) es una sonoboya acústica pasiva utilizada por la Marina para detectar submarinos submarinos. Las boyas DIFAR incluyen uno o más sensores vectoriales que dan la dirección a la fuente de una señal acústica. También suelen incluir hidrófonos no direccionales. Las sonoboyas DIFAR detectan energía acústica de 5 a 2.400 Hz y pueden funcionar hasta ocho horas a profundidades de hasta 305 m (1000 pies). Estas sonoboyas también se han utilizado para la investigación para rastrear las poblaciones de ballenas y monitorear la actividad volcánica submarina.

El sonobuoy del Sistema de Sonobuoy Activado por Comando Direccional (DICASS) es un sonobuoy acústico activo utilizado por la Armada para detectar submarinos. La parte del sistema “activada por comando” permite a las boyas DICASS recibir transmisiones de radio que le indican a la boya que cambie la profundidad, active las transmisiones de sonda o se escabulle. Los pulsos de sonda activos pueden transmitirse a cuatro frecuencias (6.5 kHz, 7.5 kHz, 8.5 kHz y 9.5 kHz) y pueden operar hasta por una hora a profundidades de hasta 457 m (1,500 pies). Los retornos de eco de las señales de sonda activas proporcionan información de rango, demora y Doppler en los contactos acústicos.

 
Sonoboyas siendo cargado en un avión.

Hidrófonos

Un conjunto de hidrófonos está compuesto por varios hidrófonos ubicados en ubicaciones conocidas. Estos hidrófonos pueden colocarse en una línea en el fondo del mar, amarrados en una línea vertical en la columna de agua o remolcados en una línea horizontal detrás de un barco o barco, por ejemplo. El sonido que llega a la matriz desde una fuente distante, como un submarino, llegará a cada hidrófono en momentos ligeramente diferentes, dependiendo de la dirección de donde proviene el sonido. Esta diferencia horaria se conoce como la diferencia de tiempo de llegada y se puede convertir en una dirección. Usando esta información de todos los hidrófonos en la matriz, se puede determinar la dirección de donde proviene el sonido.

Incluso una matriz simple que consta de solo dos hidrófonos puede dar la dirección aproximada desde la cual proviene un sonido. La gente hace esto todo el tiempo en el aire con un “conjunto receptor” que consta de dos oídos. El sonido que llega desde una fuente, como una persona que habla, llegará a cada oído en momentos ligeramente diferentes, dependiendo de la dirección de donde proviene el sonido, haciendo posible que el oyente le diga la dirección al hablante.

Cuando el oyente quiere detectar un solo sonido específico, los conjuntos de hidrófonos son mucho mejores que los hidrófonos individuales. Esto se debe a que la matriz puede filtrar el ruido proveniente de todas las direcciones y enfocarse en los sonidos que llegan desde una dirección específica. La mayor relación señal / ruido permite que se escuchen sonidos que normalmente no podrían ser detectados por un solo hidrófono. Si se utiliza un conjunto de hidrófonos para recibir una fuente de sonido específica, también permite que la fuente sea más silenciosa y aún se detecte. Por ejemplo, el proyector en un sistema de comunicación subacuático puede ser más silencioso si el receptor es una matriz apuntada a la fuente.

Los conjuntos de hidrófonos se utilizan para localizar submarinos, rastrear mamíferos marinos e incluso para estudiar el cambio climático global al detectar diferencias de temperatura. Ejemplos de conjuntos de hidrófonos incluyen el Sistema de Vigilancia de Sonido (SOSUS), que es un conjunto de conjuntos de hidrófonos fijos en el fondo marino, y el conjunto remolcado de la Marina de los EE. UU. Conocido como Sistema de Sensor de Conjunto de Remolque de Vigilancia (SURTASS).

 
Se puede remolcar un conjunto de hidrófonos detrás de un barco o colocarlo en el fondo marino. En esta imagen, el barco transmite el sonido y se refleja en el submarino sumergido. El sonido reflejado llega primero al hidrófono A, luego al hidrófono B y finalmente al hidrófono C. La diferencia de tiempo de llegada entre los hidrófonos en la matriz se utiliza para determinar la dirección hacia el submarino.
 
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