DOW-UAP-D148: גילוי ומעקב ברזולוציה גבוהה אחר כלי טיס במהירויות היפרסוניות

קובץ: DOW-UAP-D148_AAWSAP-DIRD-Detection-and-High-Resolution-Tracking-of-Vehicles-at-Hypersonic-Velocities-November-20-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית (DIA), משרד האזהרה הביטחונית (Defense Warning Office), במסגרת תוכנית AAWSA סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (DIRD), סדרת "Defense Futures"; מספר הבקרה מודפס כ-"‎-08-1012-001" (הקידומת אינה נראית בשער הסרוק) תאריך: 20 בנובמבר 2010 (תאריך סגירת מידע, ICOD: 30 באוגוסט 2010) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY, כשהסימון FOUO מחוק בקו בכל עמוד; שוחרר לציבור ב-2026 מספר עמודים: 46 VIRIN: 260918-D-D0360-1137 שחרור PURSUE: 6

תקציר

מסמך DIRD זה עוסק בבעיית חישה ולא בכלי טיס: כיצד לגלות, ואחר כך לעקוב ברזולוציה גבוהה, אחר כל דבר החוצה את האטמוספרה במהירות העולה על כמאך 5. על השער מופיעים סמל ה-DIA, הכותרת "Defense Futures", התאריך 20 בנובמבר 2010 ותאריך סגירת מידע של 30 באוגוסט 2010. עמוד הכותרת מציין כגוף המכין את החטיבה להתרעה טכנולוגית (Technology Warning Division, DWO-4) של משרד האזהרה הביטחונית, במנהלת הניתוח, מביא מחבר יחיד, "AAP Person 83", וקובע שהמסמך הוא "אחד מסדרה של דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2010" במסגרת תוכנית AAWSA. הערות יש להפנות אל AAP Person 1, מנהל התוכנית.

הרעיון המרכזי הוא שעצם היפרסוני אינו יכול לחלוף בשקט. הוא דוחף לפניו גל הלם קדמי (bow shock), מחמם ומיינן את האוויר, זוהר, ומותיר אחריו שובל סוער (turbulent wake) שעשוי להתקיים זמן רב אחרי שחלף; כל אחת מן התופעות האלה היא חתימה אפשרית. המסמך סוקר שמונה משפחות של חיישנים המנצלים אותן, מדרג אותן במטריצת השוואה, ומסיים בארבע המלצות מחקר ל-30 השנים הבאות.

המסמך אינו מזכיר עב"מים או UAP. הוא עוסק במטאורים, בכלי רכב החוזרים לאטמוספרה, בטילים ובמטוסים, והפרק הצופה פני עתיד שלו מכוון לכלי טיס ולטילי שיוט היפרסוניים זרים. מבין התחומים הטכניים של מסמך היעדים של AAWSAP (DOW-UAP-D110) הוא משרת את תחום הפחתת החתימה מן הכיוון ההפוך, כלומר כמחקר על ניצול חתימות, וכן את תחום הנושאים התומכים.

מאמר מחקר

מבנה ומקורות

אחרי מבוא, גוף המסמך בן 32 העמודים כולל ארבעה פרקים: התאוריה של עצמים בטיסה, תאוריית זרימה דחיסה היפרסונית, טכנולוגיות גילוי (שיטות אלקטרומגנטיות, אופטיות, אקוסטיות וסייסמיות), וחזון ההתקדמות ב-30 השנים הבאות. יש בו 19 איורים וטבלה אחת. נספח A בן שמונה עמודים משחזר גיליון MathCad המחשב את התנאים מאחורי גל ההלם של כלי טיס הטס במהירות 3,300 מייל לשעה בגובה 10 ק"מ (מאך 4.929, טמפרטורה של 1,263 קלווין מאחורי ההלם ואורך גל פליטה שיא של 2.295 מיקרון), לצד טבלת האטמוספרה התקנית של ארה"ב עד גובה 100 ק"מ. 32 הערות הסיום משלבות ספרי לימוד באווירודינמיקה, מאמרים מדעיים, דוח של המעבדה לחקר הצי (NRL) מ-1961, מאמרי כנסים ודפי אינטרנט שנשלפו ביולי 2010, ובהם אתרים של חובבי אסטרונומיית רדיו. בעותק שפורסם מודגשים בצהוב כמה קטעים, ובהם הגדרת הסף ההיפרסוני (עמוד 5), כותרות ארבע ההמלצות וערכים בנספח.

המבוא קובע את קנה המידה. הסף ההיפרסוני המסורתי הוא "about Mach 5 (1.7 km/sec)" (בערך מאך 5, 1.7 ק"מ לשנייה); "היפרסוני נמוך" מגיע עד כמאך 10, ו"היפרסוני גבוה" נע בין מאך 10 ל-30 ומעלה. ארבעה סוגי עצמים מגיעים למהירויות כאלה: מטאורים (עד 48 ק"מ לשנייה, מעל מאך 150 באטמוספרה העליונה), כלי רכב החוזרים ממסלול נמוך (8 ק"מ לשנייה, מעל מאך 26.5), מטעדים של טילים בין-יבשתיים (מעל 7 ק"מ לשנייה, מאך 23 ומעלה), וטילים ומטוסים. הדוגמאות נעות מה-X-15 וה-SR-71 ועד ה-X-51, ה-HTV-2 של DARPA, HyperSoar, Skylon, ה-"Leninetz Ayaks" הרוסי ו"ה-Aurora SR-91 לכאורה (מאך 4 עד 6)" (עמוד 5).

הפיזיקה של חתימה היפרסונית

פרק 1 הוא שיעור תמציתי באווירודינמיקה. הוא מציג את מספרי מאך וריינולדס, את שכבת הגבול ואת המערבולות הניתקות אל השובל, שתדירותן מתוארת במספר שטרוהל (Strouhal); לפי המסמך, מדידת תדירות זו מאפשרת לקבוע את מהירות הקליע "בדיוק בינוני" (עמוד 9). טבלה 1 (עמוד 13) מחשבת גל הלם ניצב (normal shock) במאך 3 בגובה פני הים: הזרימה מאחורי ההלם יורדת למאך 0.475, הלחץ עולה פי 10.333 והטמפרטורה עולה מ-20 ל-512 מעלות צלזיוס.

פרק 2 מסביר מדוע משוואות ספרי הלימוד נכשלות במהירויות גבוהות יותר. יחסי רנקין-הוגוניו (Rankine-Hugoniot) חוזים 29,787 מעלות צלזיוס ליד חרטום של גוף קהה במהירות החזרה לאטמוספרה של מאך 26.5, "בעוד הטמפרטורה בפועל מגיעה רק ל-7,600 מעלות", משום שאנרגיה נבלעת ביינון האוויר ובפירוק מולקולותיו (עמוד 14). היינון הזה יוצר את השובל הזוהר שמאחורי מטאורים וכלי רכב חוזרים ומשבש תקשורת רדיו, אך גם "מספק דרך נוחה לזהות עצמים היפרסוניים". "כלל האצבע" של המסמך הוא שהטמפרטורה המרבית בשכבת ההלם בקלווין היא בערך פי 1,000 מהמהירות בקילומטרים לשנייה, כך שכלי רכב חוזר במהירות 8 ק"מ לשנייה מגיע לכ-8,000 קלווין.

מכ"ם ורדיו פסיבי

פרק 3 נפתח בסיווג (איור 7) ובאמת מידה מעבדתית, הכרונוגרף הלייזרי, שמודד את זמן מעברו של עצם בין שתי קרניים בדיוק של שבריר ננו-שנייה, אך פועל רק אם העצם טס דרך הקרניים בטווח ניסויים מאובזר. אחר כך מציג המסמך את שיפוטו העיקרי: המכשירים הטובים ביותר כיום לגילוי כלי טיס היפרסוניים מבוססים על החזרת קרינת רדיו ומיקרוגל במכ"ם ועל גילוי האנרגיה האינפרא-אדומה הנפלטת מן הגזים המיוננים הסובבים את כלי הטיס ובשובלו (עמוד 16).

פרק המכ"ם מכסה את הפיזיקה (משוואת המכ"ם, שלפיה "האנרגיה המוחזרת הנקלטת קטנה ב-94% בכל פעם שהמרחק למטרה מוכפל"), מדידת מהירות בדופלר וחמקנות, ואז מונה מערכות אמיתיות (עמוד 19): מכ"ם מעבר לאופק של המעבדה לחקר הצי בשלוחת מפרץ צ'ספיק שעקב אחר שיגור Mercury/Atlas ב-9 בספטמבר 1961; Cobra Dane באלסקה ו-Cobra Judy המוצב על ספינות, המשמשים נגד כלי רכב חוזרים מעל 35 ק"מ; מכ"מי ההתרעה המוקדמת באלסקה, בבריטניה ובגרינלנד; מכ"ם גלים מילימטריים בהספק 100 קילוואט באטול קוואג'לין, העוקב אחר כלי רכב חוזרים עד 2,500 ק"מ; ו-TRADEX, שנבנה ב-1963 ועוקב עד 1,400 ק"מ. הסיכום מוסיף שמערכת AWACS מסוגלת לראות עצמים עד 370 ק"מ ברזולוציה של חצי מטר, ושמערכת TRADEX יכולה לעקוב אחר שישה עצמים במרחק 1,400 ק"מ בדיוק של 3 מטרים וברזולוציית מהירות של 0.01 מטר לשנייה (עמוד 35).

הרעיון המקורי ביותר בחלק זה הוא "גילוי באמצעות החזרי רדיו" פסיבי (עמודים 19-20, איור 11). מקלט הנמצא מעבר לאופק ממשדר רדיו או טלוויזיה שומע בדרך כלל רק רחש; כשגל ההלם המיונן והשובל של מטאור עוברים ביניהם, הוא שומע "פינגים ושריקות". בהסתמך על הקלטות של חובבים ממטר המטאורים Aurigid ב-2007, בתדרים 61 ו-217 מגה-הרץ, המחבר טוען שאפשר להבחין בין החזרים מגל ההלם לבין החזרים מן השובל, שרשת של מקלטים כאלה תוכל למקם עצם היפרסוני בשיטת המשולשים, ושה"שריקות" מן השובל עשויות לחשוף את תדירות המערבולות ומכאן את המהירות. המסמך מודה שהטכניקה "אינה מפותחת עד תום ונראה שרק חובבים משתמשים בה", ומסכם שיש "לפתח אותה הלאה" (עמוד 20).

מצלמות, לוויינים ואינפרא-אדום

השיטות האופטיות מתחילות במדע המטאורים: מצלמות כל-שמיים, המטאוריט Příbram מ-1959, המטאוריט Neuschwanstein שנמצא בעזרת רשת הכדורים הבוערים האירופית (European Fireball Network, תחנות במרחק של כ-100 ק"מ זו מזו המכסות כמיליון קמ"ר), והאסטרואיד 2008 TC3, שחדר לאטמוספרה מעל סודן ב-7 באוקטובר 2008 והותיר 280 שברים במשקל כולל של 11 ליברות (עמודים 20-21). טענת המחבר היא שאותן רשתות מצלמות יכולות לעקוב אחר כל כלי טיס היפרסוני ששובלו זוהר, אם כי רק בלילה. לווייני סיור מוצגים עם מסלוליהם ורזולוציותיהם: KH-11 (2-3 מטרים), "Big-Bird", "Close-Look" ו-Landsat.

האינפרא-אדום זוכה לטיפול הארוך ביותר. באמצעות חוקי סטפן-בולצמן, פלאנק ווין, המחבר מחשב שכדור הטס במאך 3 בגובה 10 ק"מ מחמם את האוויר שעבר את ההלם ל-597 קלווין, עם פליטה מרבית ב-4.85 מיקרון, העוברת ל-3.92 מיקרון במאך 3.5, הבדל הניתן לגילוי ב"מצלמה אינפרא-אדומה או ב-FLIR" (עמוד 24). חיישני לוויין הצופים בתחום 2.5-5 מיקרון "יכולים לגלות מטוסים במהירויות נמוכות עד מאך 3" (עמוד 25); טיל אמיתי חייב להיות מאומת גם ברצועת אדי המים של 2.6-3.2 מיקרון וגם ברצועת 4.1-4.8 מיקרון, כדי לסנן רעשי רקע ו"נצנוץ" של אור שמש. סעיף היסטורי (עמוד 27) עוקב אחר ההתרעה האינפרא-אדומה מלוויינים, ממחקר RAND מ-1955 ומ"מערכת האזעקה מפני התקפת טילים בין-יבשתיים" WS-117L, דרך MIDAS (‏MIDAS 9 גילה תשעה שיגורים ב-1963), ועד תוכנית התמיכה הביטחונית (DSP), שלווייניה נושאים 6,000 גלאים אינפרא-אדומים הפועלים בתחום 2.7-4.3 מיקרון, והלוויין ה-23 והאחרון שלה שוגר בנובמבר 2007. מערכת DSP גילתה מטאור גדול מעל מדינות המערב ב-1972 ו-88 שיגורי סקאד עיראקיים ב-1991; "המלאי המבצעי הנוכחי מסווג".

LIDAR, אינפרא-קול ורשתות סייסמיות

ה-LIDAR מוצג ככלי לחקר השובל עצמו. לייזרים פולסיים בשילוב ניתוח ראמאן ופיזור יכולים למדוד צפיפות חלקיקים, הרכב גזים, טמפרטורה ומהירות אוויר לאורך הקרן, ולכן LIDAR יכול לגלות את נוכחותו של כלי טיס היפרסוני "באמצעות מדידת מהירויות האוויר בשובלים הסוערים הארוכים שהם מותירים באטמוספרה" (עמוד 29). התקדים המובא הוא LIDAR של צבא ארה"ב שמדד ב-1973 את תוצרי השחיקה של חרטומים במשימות חזרה לאטמוספרה של Athena-H בטווח הטילים White Sands, בגבהים של 9.3 ו-14.3 ק"מ.

השיטות האקוסטיות מנצלות את חרוט מאך (Mach cone). שני מיקרופונים משמשים כרונוגרף; זווית מאך נותנת את הגובה. המסמך מספר על רשת האינפרא-קול של חיל האוויר משנות השישים לגילוי ניסויים גרעיניים, על ארבע תחנות של המעבדה הלאומית לוס אלמוס שהותקנו ב-1983 ועקבו אחר מטאורים בוהקים גדולים (bolides) ב-2000 וב-2001 (אחד מהם התפוצץ ליד באחה קליפורניה באנרגיה של 6,000 טונות TNT), ועל מערכת הניטור הבינלאומית בת 321 התחנות, שאת ערכה לניטור גרעיני הוא מכנה "מפוקפק", משום שבנובמבר 1999 היא לא הצליחה להבחין בין מטאור לפיצוץ גרעיני מעל צפון גרמניה (עמוד 30). גם סייסמומטרים רושמים בומים על-קוליים: רשת TERRAscope בת 200 התחנות בדרום קליפורניה רשמה SR-71 במאך 3.2 מעל בסיס חיל האוויר אדוארדס ב-9 בדצמבר 1993 ואת חזרתה לאטמוספרה של המעבורת דיסקברי (STS-42) ב-30 בינואר 1992, ו-66 תחנות בוושינגטון ובאורגון עקבו אחר נחיתה אחרת של דיסקברי לאורך 500 ק"מ וקבעו את מהירותה על מאך 14 בגובה 55 ק"מ. ה"תעלומה" היחידה במסמך נמצאת כאן: בומים שנשמעו מעל דרום קליפורניה ב-1991 וב-1992 אותרו, בעזרת נתוני TERRAscope, "לשני מטוסי F-4 פנטום שטסו מעל בסיס חיל האוויר אדוארדס במהירויות הקרובות למאך 1" (עמוד 31).

שלושים שנה קדימה: ארבע המלצות

פרק 4 ממיין את המטרות העתידיות לפסולת חלל, כלי רכב חוזרים (המהירות של קפסולת אפולו 10, 24,790 מייל לשעה, מובאת כשיא המהירות של כלי מעשה ידי אדם), מטאורים, טילים וכלי טיס היפרסוניים, ואז פונה לכלי טיס "המסוגלים למאך 8 ומעלה". ארבע ההמלצות שלו (עמודים 33-35):

1. לבנות מאגר של מאפייני שובל של מטוסים קיימים. בהסתמך על חוקרי אוניברסיטת דייטון מרק גרנט ואהרון אלטמן, שזיהו שובלים של F-15, F-16, F-18 ו-B-52, המסמך מציין ש"אף שהמטוס עשוי להיות מתוכנן לחמקנות, את השובל שלו אי אפשר להסתיר". כלי טיס המונע במימן אף יסגיר את עצמו בהיעדר פחמן בשובלו.
2. לנצל את התכונות המאפשרות לכלי טיס היפרסוניים לטוס. מנועי פיצוץ פולסי (pulsed detonation engines) מותירים בליטות מחזוריות המתוארות כ"סופגניות על חבל"; התכנון הרוסי AYAKS, המשתמש בלייזרים ובמחוללי RF כדי ליינן את האוויר לפניו ובמנוע MHD, יפלוט אותות RF, לייזר ואלקטרומגנטיים. "לכל מערכת הנעה או הפחתת גרר חדשה שנמצאת בפיתוח תהיה תכונה כלשהי שעשויה להפוך אותה לקלה יותר לגילוי".
3. לחקור גילוי של כלי טיס "שתוכננו להיות בלתי ניתנים לגילוי". המסמך מצטט מאמר מ-1999 על פרויקט AJAX, הטוען שמעטפת פלזמה יכולה להפוך טיל לאטום לפולסי מכ"ם, ובכך "בלתי נראה" אלקטרונית, ומשיב ששובלו העשיר בפחמן ועורו החם יותר אמורים להישאר גלויים ל-LIDAR ולאינפרא-אדום.
4. לפתח גלאים חדשניים: טלסקופים אולטרה-סגולים וטלסקופי רנטגן לקרינת הרה-קומבינציה, LIDAR לתחמוצות חנקן בשובלים, וחיישנים ל"מטען חיובי משמעותי" שעצם היפרסוני צובר.

איור 19 (עמוד 36) מדרג כל שיטה לפי מה שהיא מודדת, כיסוי השמיים, הזמינות והעלות. המכ"ם מודד מרחק, מהירות וגובה בעלות "בינונית"; קליטת החזרי רדיו פסיבית היא בעלות "נמוכה" אך מסומנת רק למטאורים ולכלי רכב חוזרים; הכרונוגרף מודד מהירות בלבד ואינו מסומן כשימושי נגד אף סוג מטרה.

יש לציין כמה שגיאות. המסמך מגדיר מכ"ם UHF כ-"300 to 1,000 GHz" (עמוד 17) ומהירויות של תותחי גז כ-"12 km/h" (עמוד 15), כשההקשר מחייב מגה-הרץ וקילומטרים לשנייה, והוא מתארך את אותה מהירות של ה-X-15, ‏7,274 קמ"ש (4,520 מייל לשעה), ל-1964 במבוא ול-1967 בפרק 4.

משמעות

D148 הוא אחד ממסמכי ה-DIRD המעשיים ביותר בסדרת AAWSAP. בעוד רבים מאחיו בוחנים הנעה אקזוטית, מסמך זה שואל את השאלה המשלימה: כיצד מגלים ועוקבים אחר עצם הנע במהירות קיצונית באטמוספרה? תשובתו רב-שכבתית ומבוססת על חיישנים מרובים. המכ"ם והאינפרא-אדום מובילים, שיטות המבוססות על השובל (LIDAR, רדיו פסיבי, אינפרא-קול ומערכים סייסמיים) מסייעות לזהות את כלי הטיס, והמחבר חוזר וטוען שכל תחבולה חדשה של הנעה או של הפחתת גרר יוצרת חתימה חדשה. הדיון בתפיסת Ayaks קושר אותו ישירות למסמך הבא בסדרה, DOW-UAP-D149, המתוארך יום אחד מאוחר יותר, הבוחן לעומק הנעת MHD ואת רעיון העקיפה של Ajax.

קוראים המתעניינים ב-UAP יזהו את משפחות החיישנים שבהן הוא דן, מלווייני התרעה אינפרא-אדומים ועד רשתות אינפרא-קול וסייסמיות, אך המסמך אינו קושר אותן לתופעות בלתי מזוהות. הנגיעות היחידות שלו בבלתי מוסבר הן מטוס ה-Aurora "לכאורה" והבומים בדרום קליפורניה, שהוא מדווח עליהם כמפוענחים. המלצותיו ממוסגרות סביב כלי טיס וטילי שיוט היפרסוניים זרים, וראיותיו לקוחות מספרות פתוחה, ובכלל זה אתרי חובבים, ולא מדיווח מודיעיני.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"Currently, the best devices for the detection of hypersonic vehicles are based on the reflection of radio and microwave radiation through RADAR and upon the detection of infrared energy emitted by the ionized gases surrounding high-speed vehicles and in their wake." (המכשירים הטובים ביותר כיום לגילוי כלי טיס היפרסוניים מבוססים על החזרת קרינת רדיו ומיקרוגל במכ"ם ועל גילוי האנרגיה האינפרא-אדומה הנפלטת מן הגזים המיוננים הסובבים כלי טיס מהירים ובשובלם.) -- עמוד 16

"This means that energy received in reflected energy decreases by 94% every time the distance to the target is doubled." (משמעות הדבר היא שהאנרגיה המוחזרת הנקלטת קטנה ב-94% בכל פעם שהמרחק למטרה מוכפל.) -- עמוד 18

"This technique for detecting hypersonic meteors is not fully developed and appears to be employed only by hobbyists." (טכניקה זו לגילוי מטאורים היפרסוניים אינה מפותחת עד תום, ונראה שרק חובבים משתמשים בה.) -- עמוד 20

"The energy difference between a Mach 3 and Mach 3.5 aircraft would be significant enough to detect with an infrared camera or FLIR (forward looking infrared) detector." (הפרש האנרגיה בין מטוס במאך 3 למטוס במאך 3.5 יהיה משמעותי דיו כדי לגלותו במצלמה אינפרא-אדומה או בגלאי FLIR, אינפרא-אדום צופה קדימה.) -- עמוד 24

"By using data from the TERRAscope array, the source of these disturbances was traced to two F-4 Phantom aircraft flying over Edwards Air Force Base at speeds near Mach 1." (בעזרת נתונים ממערך TERRAscope אותר מקור ההפרעות האלה בשני מטוסי F-4 פנטום שטסו מעל בסיס חיל האוויר אדוארדס במהירויות הקרובות למאך 1.) -- עמוד 31

"They point out that, although the aircraft may be designed for stealth, their wakes cannot be hidden." (הם מציינים שאף שהמטוס עשוי להיות מתוכנן לחמקנות, את השובל שלו אי אפשר להסתיר.) -- עמוד 33

"Every new propulsion or drag reduction system under development will have some characteristic that may make it more detectable from the ground or from satellite." (לכל מערכת הנעה או הפחתת גרר חדשה שנמצאת בפיתוח תהיה תכונה כלשהי שעשויה להפוך אותה לקלה יותר לגילוי מן הקרקע או מלוויין.) -- עמוד 34

"As hypersonic objects pass through the atmosphere, the object becomes ionized with a significant positive charge. Technology should be developed to sense the flight of objects with an electrostatic charge as they pass through the atmosphere." (כאשר עצמים היפרסוניים עוברים דרך האטמוספרה, העצם מתיינן וצובר מטען חיובי משמעותי. יש לפתח טכנולוגיה לחישת טיסתם של עצמים בעלי מטען אלקטרוסטטי בעת מעברם דרך האטמוספרה.) -- עמוד 35