Umelecké stvárnenie budúceho bojového vozidla chráneného aktívnym kamuflážnym systémom
V súčasnosti sa prieskumné a infiltračné operácie pechoty vykonávajú s konvenčnou kamuflážou určenou na maskovanie vojaka pomocou dvoch hlavných prvkov: farby a vzoru (maskovací vzor). Stále viac však prevládajú vojenské operácie v mestskom prostredí, v ktorých sa optimálna farba a vzor môžu plynule meniť, dokonca aj každú minútu. Vojak oblečený v zelenej uniforme napríklad jasne vynikne proti bielej stene. Aktívny kamuflážny systém mohol neustále aktualizovať farby a vzory, pričom vojaka schovával v aktuálnom prostredí
Príroda používa aktívne adaptívne kamuflážne „systémy“milióny rokov. Vidíte na tejto fotografii chameleóna?
Zjednodušené znázornenie princípu fungovania aktívne-adaptívnej kamufláže na príklade MBT
Tento článok prináša prehľad súčasných a projektovaných aktívnych (adaptívnych) kamuflážnych systémov. Aj keď existuje mnoho aplikácií pre tieto systémy alebo sa vyvíjajú, výskum sa zameriava na systémy, ktoré by mohli byť použité v operáciách pechoty. Účelom týchto štúdií je navyše poskytnúť informácie používané na posúdenie súčasnej použiteľnosti aktívnych kamuflážnych systémov a pomôcť navrhnúť tie budúce.
Definície a základné pojmy
Aktívna kamufláž vo viditeľnom spektre sa líši od konvenčnej kamufláže dvoma spôsobmi. Najprv nahradí vzhľad maskovaného vzhľadu vzhľadom, ktorý sa nielen podobá prostrediu (ako tradičné maskovanie), ale presne predstavuje, čo sa skrýva za maskovaným predmetom.
Za druhé, aktívna kamufláž to robí aj v reálnom čase. V ideálnom prípade by aktívna kamufláž mohla napodobňovať nielen blízke objekty, ale aj vzdialené objekty, možno až na horizont, čím by sa vytvorila dokonalá vizuálna kamufláž. Vizuálne aktívnu kamufláž je možné použiť na deaktiváciu schopnosti ľudského oka a optických senzorov rozpoznať prítomnosť cieľov.
Existuje mnoho príkladov aktívnych kamuflážnych systémov v beletrii a vývojári často volia názov technológie na základe niektorých výrazov a názvov z beletrie. Spravidla sa týkajú úplnej aktívnej kamufláže (t. J. Úplnej neviditeľnosti) a nevzťahujú sa na možnosti čiastočnej aktívnej kamufláže, aktívnej kamufláže pre špeciálne operácie alebo akéhokoľvek súčasného technologického pokroku v reálnom svete. Úplná neviditeľnosť však bude určite užitočná pre operácie pechoty, ako sú prieskumné a infiltračné operácie.
Kamufláž sa používa nielen vo vizuálnom spektre, ale aj v akustike (napríklad sonare), elektromagnetickom spektre (napríklad radar), tepelnom poli (napríklad infračervené žiarenie) a na zmenu tvaru predmetu. Kamuflážne technológie vrátane niektorých aktívnych kamufláží boli do určitej miery vyvinuté pre všetky tieto typy, najmä pre vozidlá (pozemné, námorné a letecké). Aj keď sa táto práca týka predovšetkým vizuálnej kamufláže zosadeného pešiaka, je užitočné v krátkosti spomenúť riešenia v iných oblastiach, pretože niektoré technologické nápady je možné preniesť do viditeľného spektra.
Vizuálna kamufláž. Vizuálna kamufláž pozostáva z tvaru, povrchu, lesku, siluety, tieňa, polohy a pohybu. Aktívny kamuflážny systém môže obsahovať všetky tieto aspekty. Tento článok sa zameriava na vizuálne aktívnu kamufláž, preto sú tieto systémy podrobne popísané v nasledujúcich podsekciách.
Akustická kamufláž (napr. Sonar). Od štyridsiatych rokov minulého storočia mnohé krajiny experimentovali s povrchmi absorbujúcimi zvuk, aby obmedzili odrazy sonarov ponoriek. Technológie zasekávania zbraní sú typom akustickej kamufláže. Aktívne potlačenie hluku je navyše novým trendom, ktorý by sa potenciálne mohol vyvinúť do akustickej kamufláže. Aktívne slúchadlá s potlačením hluku sú v súčasnej dobe k dispozícii spotrebiteľovi. Vyvíjajú sa takzvané systémy aktívneho potlačenia hluku v blízkosti poľa, ktoré sú umiestnené v akustickom blízkom poli, aby aktívne minimalizovali predovšetkým tonálny hluk vrtúľ. Predpovedá sa, že by bolo možné vyvinúť sľubné systémy pre akustické polia dlhého dosahu, aby sa zamaskovalo pôsobenie pechoty.
Elektromagnetické maskovanie (napríklad radar). Radarové maskovacie siete kombinujú špeciálne povlaky a technológiu mikrovlákien a poskytujú širokopásmový radarový útlm viac ako 12 dB. Použitie voliteľných tepelných povlakov predlžuje infračervenú ochranu.
BMS-ULCAS (Multispectral Ultra Lightweight Camouflage Screen) od spoločnosti Saab Barracuda používa špeciálny materiál, ktorý je pripevnený k základnému materiálu. Materiál znižuje detekciu širokopásmového radaru a tiež zužuje viditeľné a infračervené frekvenčné rozsahy. Každá obrazovka je navrhnutá špeciálne pre zariadenie, ktoré chráni.
Maskáčové uniformy. V budúcnosti môže aktívna kamufláž určiť predmet, ktorý sa má maskovať, aby sa prispôsobil tvaru priestoru. Táto technológia je známa ako SAD (Shape Aproximation Device) a má potenciál znížiť schopnosť rozpoznávania tvarov. Jedným z najpresvedčivejších príkladov jednotnej kamufláže je chobotnica, ktorá dokáže splynúť so svojim okolím nielen zmenou farby, ale aj zmenou tvaru a štruktúry svojej pokožky.
Tepelná kamufláž (napríklad infračervená). Vyvíja sa materiál, ktorý zoslabuje tepelný podpis nahej pokožky difúziou tepelných emisií pomocou postriebrených dutých keramických guličiek (senosféry) s priemerom 45 mikrónov vložených do spojiva na vytvorenie pigmentu s nízkymi emisnými a difúznymi vlastnosťami. Mikročastice fungujú ako zrkadlo, odrážajú okolitý priestor a navzájom, a tým distribuujú tepelné žiarenie z pokožky.
Multispektrálna kamufláž. Niektoré kamuflážne systémy sú multispektrálne, čo znamená, že fungujú pre viac ako jeden typ kamufláže. Spoločnosť Saab Barracuda napríklad vyvinula multispektrálny kamuflážny produkt High Mobility on-Board System (HMBS), ktorý chráni delostrelecké kusy počas paľby a opätovného nasadenia. Možné sú zníženia podpisu až o 90% a potlačenie tepelného žiarenia umožňuje motorom a generátorom bežať na voľnobeh, aby sa rýchlo naštartovali. Niektoré systémy majú obojstranný povlak, ktorý umožňuje vojakom nosiť obojstrannú kamufláž na použitie na rôznych typoch terénu.
Koncom roku 2006 spoločnosť BAE Systems oznámila to, čo bolo popísané ako „skok vpred v kamuflážnej technológii“, v centre ktorej pokročilá technológia vynašla „novú formu aktívneho utajenia … Po stlačení tlačidla sa objekty stávajú prakticky neviditeľnými a miešajú sa. do ich pozadia “. Podľa spoločnosti BAE Systems vývoj „dal spoločnosti desaťročie vedúceho postavenia v technológii utajenia a mohol by predefinovať svet„ tajného “inžinierstva. Nové koncepty boli implementované na základe nových materiálov, čo umožňuje nielen meniť ich farby, ale aj posúvať infračervený, mikrovlnný a radarový profil a spájať objekty s pozadím, vďaka čomu sú takmer neviditeľné. Táto technológia je zabudovaná do samotnej štruktúry, a nie na základe použitia dodatočného materiálu, ako je farba alebo lepiaca vrstva. Táto práca už viedla k registrácii 9 patentov a stále môže poskytovať jedinečné riešenia problémov so správou podpisov.
Aktívny kamuflážny systém založený na technológii RPT s projekciou na reflexný pršiplášť
Ďalšia hranica: transformačná optika
Aktívne / adaptívne kamuflážne systémy popísané v tomto článku a založené na projekcii scény sú samy o sebe dosť podobné sci -fi (a skutočne to bol základ filmu „Predátor“), ale nie sú súčasťou najmodernejších technológií, ktoré boli skúmané v r. hľadanie „rúško neviditeľnosti“. Skutočne sú už načrtnuté ďalšie riešenia, ktoré budú v porovnaní s aktívnym maskovaním oveľa efektívnejšie a praktickejšie. Sú založené na fenoméne známom ako transformačná optika. To znamená, že niektoré vlnové dĺžky, vrátane viditeľného svetla, je možné „ohnúť“a prúdiť okolo objektu ako voda obalujúca kameň. Výsledkom je, že objekty za objektom sú viditeľné, ako keby svetlo prešlo prázdnym priestorom, zatiaľ čo samotný objekt zmizne z dohľadu. Transformačná optika môže objekty nielen maskovať, ale aj zviditeľniť tam, kde nie sú.
Schematické znázornenie princípu neviditeľnosti pomocou transformačnej optiky
Umelecké zobrazenie štruktúry metamateriálu
Aby sa to však stalo, predmet alebo oblasť musia byť maskované maskovacím činidlom, ktoré musí byť samo o sebe nezistiteľné pre elektromagnetické vlny. Tieto nástroje, nazývané metamateriály, používajú bunkové štruktúry na vytvorenie kombinácie materiálových charakteristík, ktoré v prírode nie sú k dispozícii. Tieto štruktúry môžu smerovať elektromagnetické vlny okolo objektu a spôsobiť ich výskyt na druhej strane.
Obecnou myšlienkou takýchto metamateriálov je negatívna refrakcia. Naproti tomu všetky prírodné materiály majú pozitívny index lomu, čo je indikátor toho, ako veľmi sú elektromagnetické vlny ohnuté pri prechode z jedného média do druhého. Klasická ilustrácia toho, ako funguje refrakcia: časť tyčinky ponorenej do vody sa zdá byť ohnutá pod hladinou vody. Ak by mala voda negatívny lom, ponorená časť tyčinky by naopak vyčnievala z povrchu vody. Alebo sa napríklad zdá, že ryba plávajúca pod vodou sa pohybuje vo vzduchu nad hladinou vody.
Nový maskovací metamateriál odhalila Dukeova univerzita v januári 2009
Obraz elektrónového mikroskopu hotového 3D metamateriálu. Rezonátory zlatého nanoringa sú usporiadané v rovnomerných radoch
Schematický a elektrónový mikroskopový pohľad na metamateriál (vrchný a bočný) vyvinutý vedcami z Kalifornskej univerzity v Berkeley. Materiál je vytvorený z paralelných nanovlákien zapustených do pórovitého oxidu hlinitého. Keď viditeľné svetlo prejde materiálom podľa javu negatívnej lomu, vychýli sa v opačnom smere.
Aby mal metamateriál negatívny index lomu, musí byť jeho štruktúrna matica menšia ako dĺžka použitej elektromagnetickej vlny. Navyše hodnoty dielektrickej konštanty (schopnosť prenášať elektrické pole) a magnetickej permeability (to, ako reaguje na magnetické pole) musia byť negatívne. Matematika je neoddeliteľnou súčasťou navrhovania parametrov potrebných na vytváranie metamateriálov a ukazuje, že materiál zaručuje neviditeľnosť. Nie je prekvapením, že väčší úspech bol dosiahnutý pri práci s vlnovými dĺžkami v širšom mikrovlnnom rozsahu, ktorý sa pohybuje od 1 mm do 30 cm. Ľudia vidia svet v úzkom rozsahu elektromagnetického žiarenia, známeho ako viditeľné svetlo, s vlnovými dĺžkami od 400 nanometrov (fialové) a purpurové svetlo) až 700 nanometrov (tmavočervené svetlo).
Po prvej ukážke uskutočniteľnosti metamateriálu v roku 2006, keď bol postavený prvý prototyp, tím inžinierov z Duke University v januári 2009 oznámil nový typ maskovacieho zariadenia, oveľa pokročilejšieho v maskovaní v celom spektre frekvencií. Najnovšie pokroky v tejto oblasti sú dôsledkom vývoja novej skupiny komplexných algoritmov na vytváranie a výrobu metamateriálov. V nedávnych laboratórnych experimentoch sa lúč mikrovĺn nasmerovaný maskovacím prostriedkom do „vydutia“na plochom zrkadlovom povrchu odrážal od povrchu v rovnakom uhle, ako keby tam nebola žiadna vydutina. Maskovacie činidlo navyše zabránilo tvorbe rozptýlených lúčov, obvykle sprevádzajúcich takéto transformácie. Fenomén maskovania sa podobá fatamorgáne videnej v horúcom dni pred cestou.
V paralelnom a skutočne konkurenčnom programe vedci z Kalifornskej univerzity v polovici roku 2008 oznámili, že boli priekopníkmi 3-D materiálov, ktoré môžu meniť normálny smer svetla vo viditeľnom a blízkom infračervenom spektre. Vedci použili dva odlišné prístupy. V prvom experimente naukladali niekoľko striedajúcich sa vrstiev striebra a nevodivého fluoridu horečnatého a rozrezali takzvané nanometrické vzory „ôk“do vrstiev, aby vytvorili objemný optický metamateriál. Negatívny lom sa meral na vlnových dĺžkach 1 500 nanometrov. Druhý metamateriál pozostával zo strieborných nanodrôtov natiahnutých vo vnútri porézneho oxidu hlinitého; mal negatívny lom na vlnových dĺžkach 660 nanometrov v červenej oblasti spektra.
Oba materiály dosiahli negatívny lom, pričom množstvo absorbovanej alebo „stratenej“energie pri prechode svetla nimi bolo minimálne.
Vľavo je schematickým znázornením prvého 3-D „sieťového“metamateriálu vyvinutého na Kalifornskej univerzite, ktorý môže dosiahnuť negatívny index lomu vo viditeľnom spektre. Vpravo je obraz hotovej štruktúry zo skenovacieho elektrónového mikroskopu. Prerušované vrstvy tvoria malé obrysy, ktoré môžu odrážať svetlo späť
V januári 2012 vedci z Univerzity v Stuttgarte oznámili, že urobili pokrok vo výrobe viacvrstvového metamateriálu s deleným kruhom pre optické vlnové dĺžky. Tento postup po vrstvách, ktorý sa môže opakovať toľkokrát, koľkokrát je to žiaduce, je schopný vytvoriť dobre zarovnané trojrozmerné štruktúry z metamateriálov. Kľúčom k tomuto úspechu bola planarizačná (vyrovnávacia) metóda pre hrubý nanolitografický povrch v kombinácii s trvanlivými referenčnými materiálmi, ktoré odolávajú procesom suchého leptania počas nano výroby. Výsledkom bolo dokonalé vyrovnanie spolu s absolútne plochými vrstvami. Táto metóda je tiež vhodná na výrobu tvarov voľnej formy v každej vrstve. Je teda možné vytvárať zložitejšie štruktúry.
Iste, pred vytvorením metamateriálov, ktoré môžu fungovať vo viditeľnom spektre, do ktorého ľudské oko vidí, a potom praktických materiálov vhodných napríklad na oblečenie, bude možno potrebné vykonať oveľa viac výskumu. Ale aj maskovacie materiály pracujúce len na niekoľkých základných vlnových dĺžkach by mohli ponúknuť obrovské výhody. Môžu spôsobiť, že systémy nočného videnia budú neúčinné a objekty neviditeľné napríklad pre laserové lúče používané na vedenie zbraní.
Pracovný koncept
Ľahké optoelektronické systémy boli navrhnuté na základe moderných zobrazovacích zariadení a displejov, vďaka ktorým sú vybrané objekty takmer priehľadné, a teda prakticky neviditeľné. Tieto systémy sa nazývajú aktívne alebo adaptívne kamuflážne systémy, pretože na rozdiel od tradičných kamufláží generujú obrázky, ktoré sa môžu meniť v závislosti od zmien scén a svetelných podmienok.
Hlavnou funkciou adaptívneho kamuflážneho systému je premietanie scény (pozadia) za objekt na povrch objektu najbližšie k divákovi. Inými slovami, scéna (pozadie) za objektom sa prenáša a zobrazuje v paneloch pred objektom.
Typickým aktívnym kamuflážnym systémom bude s najväčšou pravdepodobnosťou sieť flexibilných plochých panelových displejov usporiadaných vo forme akéhosi prikrývky, ktorá pokryje všetky viditeľné povrchy objektu, ktorý je potrebné maskovať. Každý panel displeja bude obsahovať aktívny snímač pixelov (APS) alebo prípadne ďalší pokročilý snímač, ktorý bude smerovať dopredu z panelu a zaberie malú časť oblasti panelu. „Krycia fólia“bude tiež obsahovať drôtený rám, ktorý podporuje sieť zosieťovaných optických vlákien, prostredníctvom ktorých bude obraz z každého APS prenášaný na ďalší zobrazovací panel na opačnej strane maskovaného objektu.
Poloha a orientácia všetkých zobrazovacích zariadení bude synchronizovaná s polohou a orientáciou jedného snímača, ktoré bude určené hlavným zobrazovacím zariadením (snímačom). Orientáciu určí nivelačný nástroj ovládaný hlavným obrazovým snímačom. Centrálny ovládač pripojený k externému meraču svetla automaticky upraví úrovne jasu všetkých panelov displeja tak, aby zodpovedali okolitým svetelným podmienkam. Spodná strana maskovaného predmetu bude umelo osvetlená, takže obraz maskovaného predmetu zhora ukazuje zem, akoby bola prirodzene osvetlená; ak sa to nedosiahne, potom bude zrejmá heterogenita a diskrétnosť tieňov viditeľná pre pozorovateľa pozerajúceho sa zhora nadol.
Zobrazovacie panely je možné dimenzovať a konfigurovať tak, že celkom tieto panely je možné použiť na maskovanie rôznych objektov bez toho, aby ste museli upravovať samotné objekty. Veľkosť a hmotnosť typických systémov a subsystémov adaptívnej kamufláže bola odhadnutá: objem typického obrazového snímača bude menší ako 15 cm3, zatiaľ čo systém, ktorý maskuje predmet dlhý 10 m, vysoký 3 m a široký 5 m, bude mať hmotnosť menšia ako 45 kg. Ak je predmetom, ktorý sa má maskovať, vozidlo, potom môže byť adaptívny kamuflážny systém ľahko aktivovaný elektrickým systémom vozidla bez akéhokoľvek negatívneho vplyvu na jeho činnosť.
Zaujímavé riešenie adaptívnej kamufláže vojenského materiálu Adaptive od BAE Systems
