Protección de Vehículos Blindados contra IED
Introducción
La amenaza que representan los IED en las misiones de paz aparece tanto en los medios que se hace innecesario aclarar que IED son las siglas de Improvised Explosive Device. Esto se refiere a artilugios no convencionales, como coches bomba situados al borde de la carretera y que se hacen detonar al paso de un convoy. Se ha establecido una clasificación de diversos tipos de IED, los cuales se gradúan en una serie de Niveles de amenaza en función de la cantidad de explosivo y de la distancia. Por ejemplo, una furgoneta repleta de explosivo a unos metros de distancia, representa un cierto nivel en la parte alta de la escala.
Singularidad de la amenaza IED
El IED es una amenaza singular frente a la que los vehículos blindados tradicionales no ofrecían protección suficiente. El dotar a los vehículos militares de una protección ajustada al nivel que exige su perfil de misión es uno de los retos a los que se enfrenta la industria de plataformas terrestres y al que GDELS-Santa Bárbara Sistemas dedica una parte importante de presupuesto de I+D.
Desde más de una década, la gama de vehículos blindados que GDELS-Santa Bárbara Sistemas desarrolla tiene una respuesta a amenazas IED conocida y un nivel de protección ajustado por diseño a la exigencia del cliente.
La singularidad de esta amenaza se debe a los fuertes efectos dinámicos producidos por la detonación del artefacto. La onda aérea de gran intensidad generada por el IED, que se amplifica de forma no-lineal al superponerse con la onda reflejada en el terreno, se propaga hacia el vehículo transportando en su frente un elevadísimo impulso.
Al incidir y reflejarse contra la superficie de un blindado, esta onda transfiere un impulso que puede oscilar entre 3 y 30 kN·s por m2, dependiendo principalmente de la cantidad de explosivo y la distancia.
Sumando vectorialmente los impulsos transferidos a las distintas superficies del blindado, podemos encontrarnos con impulsos totales que, en casos extremos, podrían superar los 100 kN·s. Estos impulsos pueden ser verticales hacia arriba, si el IED está enterrado bajo el punto por donde pasa el blindado, o también laterales, si el IED es un coche bomba aparcado a un lado del camino.
Para hacernos una idea de qué representa un impulso de 100 kN·s, este valor es la cantidad de movimiento de una camioneta de 3.6 Ton impactando a 100 km/h contra un vehículo en reposo. Como vemos, cuantitativamente, los impulsos intercambiados en un IED son típicamente similares a los de una colisión entre automóviles.
Sin embargo, aunque guardan similitud, hay una importante diferencia cualitativa respecto a una colisión de carretera. El tiempo en que se transfiere el grueso del impulso al blindado oscila entre 0.3 y 3 ms, lo que es 1-2 órdenes de magnitud inferior al tiempo en que se transfiere el impulso en una colisión. Así pues, el carácter del evento IED es mucho más dinámico, pues al ser la estructura de un blindado mucho más rígida que la carrocería de chapa de un automóvil, las aceleraciones globales son mucho más fuertes.
La mitigación de estas aceleraciones, para asegurar la supervivencia de la tripulación, exige elementos amortiguadores en las interfaces de la estructura con los asientos o con cualquier unidad o aparato en contacto con la persona. De lo contrario, estos componentes transmitirán esfuerzos al cuerpo que pueden traducirse en lesiones graves.
Aportación de la ingeniería civil al desarrollo de defensa
Del diseño moderno de automóviles según requisitos de seguridad ante accidentes (crash-worthiness), se extraen valiosas técnicas y metodologías para el diseño de blindajes protegidos contra IED. No obstante, por tratarse de fenómenos cualitativamente diferentes, las soluciones de supervivencia son distintas en un blindado que en un coche, como puede esperarse.
Un ejemplo claro de aportación civil es la sofisticada tecnología de ensayos crash-test de automoción, que se aplica, con lógicas adaptaciones, a la evaluación de los niveles de protección de vehículos para la supervivencia de sus ocupantes.
Para evaluar la supervivencia, se realizan ensayos reales en todos los aspectos, excepto en que los tripulantes se reemplazan por maniquís antropomórficos monitorizados o ATD (anthropomorphic test device). Estos son los conocidos crash-test dummies de la automoción, a los que se añade algún sensor específico como es el registro de presiones sobre el tórax. Estos dummies siguen siendo perfeccionados por la industria civil desde hace décadas y son igualmente útiles en la industria de defensa. De hecho, los criterios basados en probabilidad de lesión son los mismos, pues los soldados son igual de vulnerables que los conductores.
Una diferencia respecto a los crash-tests reside en los montajes e instalaciones empleados. Mientras que en automoción se consiguen representar las velocidades relativas y geometría de la colisión mediante carros o trineos) acelerados sobre raíles, en las pruebas IED no queda otro remedio que detonar una carga explosiva representativa de la amenaza. Esto se tiene que realizar en campos de prueba del Ejército y bajo estrictos protocolos de seguridad, dada la potencia de las explosiones, que puede aproximarse a los niveles de una bomba de aviación.
Otra diferencia relevante con respecto a las pruebas crash-test es la imposibilidad de filmar desde el exterior el evento, pues a los pocos milisegundos el vehículo queda envuelto en una bola de fuego, que da paso a una nube fuliginosa de polvo que persiste durante unos segundos, cuando ya todo ha concluido. Los registros filmados se limitan al interior del vehículo, constituyendo la información más valiosa que se recoge en un ensayo, aparte de las señales de los dummies.
En el ámbito de defensa se han desarrollado métodos sofisticados para instalar las cámaras interiores, minimizando su movimiento durante los primeros ms del evento. También es posible, pintando un patrón de marcas en el interior, reconstruir la dinámica de deformación de dicha superficie. Esto resulta útil para caracterizar las reservas de espacio de supervivencia y también para correlar simulaciones numéricas.
Otra contribución del ámbito civil es el avance que la automoción ha impartido a la simulación numérica para eventos altamente dinámicos y no lineales. Esta herramienta ha sido crucial para ir optimizando la respuesta de las carrocerías a colisiones. Existen paquetes de software comercial (LS-DYNA, RADIOSS, etc.) que permiten modelar los aspectos relevantes de la dinámica de deformaciones con gran fiabilidad. Y estas mismas herramientas son indispensables para el diseño avanzado de vehículos blindados, si se busca compatibilizar su diseño con la supervivencia ante IED.
Innovaciones del desarrollo militar C-IED con potencial aplicación civil
La industria de defensa, como hemos apuntado, ha aprovechado un buen número de las herramientas y técnicas del campo civil para el desarrollo de vehículos compatibles con la supervivencia ante IED. A su vez, condicionadas por las importantes diferencias cualitativas asociadas a un IED, estas técnicas se han tenido que adaptar al nuevo entorno, como veremos a continuación.
Hemos visto ya que en las pruebas reales se ha tenido que sustituir la filmación exterior por vídeos de alta velocidad desde el interior. Esto presenta problemas prácticos como es iluminar un interior oscuro con focos que no se destruyan durante el evento. Pero, sobre todo, está el problema teórico de un análisis y reducción de datos fiable a partir de registros obtenidos con cámaras que vibran y se desplazan durante el evento. Para este último problema, existen técnicas de minimizar y de corregir por ordenador los efectos de cámara móvil, lo que permitirá en su día obtener una información casi tan valiosa como la de los vídeos exteriores. Esta técnica, no cabe duda, podrá aplicarse en un futuro en los crash tests con el fin de obtener datos no accesibles desde el exterior.
Otro ejemplo es la computación numérica, donde la simulación de la generación y propagación de una onda aérea a partir de una fuerte explosión, es ya un fuerte reto computacional. En efecto, para resolver las ecuaciones de evolución del gas, se requiere lo que se llama una discretización euleriana, donde la malla es fija y los gases fluyen de una celda a otra. Esto es radicalmente diferente a la discretización lagrangiana que se usa en crash test, donde los nodos de la malla son puntos materiales de la estructura sólida que se deforman y mueven con la misma.
El problema se complica cuando el gas de la onda aérea incide e interacciona con la estructura del vehículo. En esta fase se deben considerar ambas discretizaciones condicionándose entre sí, lo que ralentiza la computación de modelos 3D hasta tiempos de cálculo inasumibles. Para que los tiempos de cálculo sean razonables, es obligado dividir la modelización numérica en fases, lo que significa poner a punto una metodología propia indispensable para obtener simulaciones consistentes en las que apoyarse para optimizar el diseño.
Esta metodología de interacción de ondas áreas con estructuras podrá ser de aplicación en campos civiles como la minería o en la protección de plantas de generación de hidrógeno verde y sus depósitos de almacenamiento en la red de distribución.
Conclusión
Hemos visto que el diseño de plataformas terrestres conforme a criterios de protección IED ha sacado provecho de muchas técnicas y métodos de la industria civil, sobre todo del campo de la automoción.
A su vez, debido a la singularidad de la amenaza IED y sus diferencias cualitativas, ha sido necesario poner a punto técnicas de ensayo y simulación numérica que son específicas del reto de la industria de defensa para asegurar la supervivencia ante IED.
Estos avances, como la técnica de filmación con cámaras montadas en el interior, podrían encontrar aplicación en la I+D de la industria civil.
Cristián Briales
Ingeniero de Supervivencia
GDELS-Santa Bárbara Sistemas
