Umetniška predstavitev bodočega bojnega vozila, zaščitenega z aktivnim maskirnim sistemom
Trenutno se operacije izvidništva in infiltracije pehote izvajajo s konvencionalno kamuflažo, ki je namenjena prikrivanju vojaka z uporabo dveh glavnih elementov: barve in vzorca (maskirni vzorec). Vse bolj pa prevladujejo vojaške operacije v urbanih okoljih, v katerih se lahko optimalna barva in vzorec nenehno spreminjata, tudi vsako minuto. Na primer, vojak v zeleni uniformi bo jasno izstopal ob beli steni. Aktivni maskirni sistem bi lahko nenehno posodabljal barvo in vzorec ter skrival vojaka v njegovem trenutnem okolju
Narava že milijone let uporablja aktivno prilagodljive maskirne "sisteme". Ali lahko vidite kameleona na tej fotografiji?
Poenostavljena predstavitev načela delovanja aktivno prilagodljive kamuflaže na primeru MBT
Ta članek ponuja pregled trenutnih in predvidenih aktivnih (prilagodljivih) maskirnih sistemov. Čeprav obstaja veliko aplikacij za te sisteme ali so v razvoju, se raziskave osredotočajo na sisteme, ki bi jih lahko uporabili v operacijah pehote. Poleg tega je namen teh študij zagotoviti informacije, ki se uporabljajo za oceno trenutne uporabnosti aktivnih maskirnih sistemov in za pomoč pri oblikovanju prihodnjih.
Opredelitve in osnovni pojmi
Aktivna kamuflaža v vidnem spektru se razlikuje od običajne kamuflaže na dva načina. Prvič, videz maskiranega nadomesti z videzom, ki ni le podoben okolju (kot tradicionalno maskiranje), ampak natančno predstavlja tisto, kar stoji za objektom, ki se maskira.
Drugič, aktivna kamuflaža to počne tudi v realnem času. V idealnem primeru aktivna kamuflaža ne bi mogla posnemati le bližnjih predmetov, ampak tudi oddaljene, po možnosti celo do obzorja, kar bi ustvarilo popolno vizualno kamuflažo. Vizualno aktivno kamuflažo lahko uporabite za onemogočanje sposobnosti človeškega očesa in optičnih senzorjev, da prepoznajo prisotnost tarč.
V leposlovju je veliko primerov aktivnih maskirnih sistemov, razvijalci pa pogosto izberejo ime za tehnologijo, ki temelji na nekaterih izrazih in imenih iz fikcije. Na splošno se nanašajo na popolno aktivno kamuflažo (tj. Popolno nevidnost) in se ne nanašajo na zmožnosti delne aktivne kamuflaže, aktivne kamuflaže za posebne operacije ali katerega koli trenutnega tehnološkega napredka v resničnem svetu. Vendar bo popolna nevidnost vsekakor koristna za operacije pehote, kot so operacije izvidništva in infiltracije.
Kamuflaža se uporablja ne le v vidnem spektru, ampak tudi v akustiki (na primer sonar), elektromagnetnem spektru (na primer radar), toplotnem polju (na primer infrardeče sevanje) in za spreminjanje oblike predmeta. Kamuflažne tehnologije, vključno z nekaterimi aktivnimi maskirnimi sredstvi, so bile do določene mere razvite za vse te vrste, zlasti za vozila (kopenska, morska in zračna). Čeprav se to delo nanaša predvsem na vizualno kamuflažo pešca, ki je sestopil, je koristno na kratko omeniti rešitve na drugih področjih, saj se nekatere tehnološke zamisli lahko prenesejo na vidni spekter.
Vizualna kamuflaža. Vizualna kamuflaža je sestavljena iz oblike, površine, sijaja, silhuete, sence, položaja in gibanja. Aktivni maskirni sistem lahko vsebuje vse te vidike. Ta članek se osredotoča na vizualno aktivno kamuflažo, zato so ti sistemi podrobno opisani v naslednjih pododdelkih.
Akustična kamuflaža (npr. Sonar). Od štiridesetih let prejšnjega stoletja so številne države eksperimentirale s površinami, ki absorbirajo zvok, da bi zmanjšale odseve sonarja podmornic. Tehnologije zatiranja pištol so vrsta akustične kamuflaže. Poleg tega je aktivno odpravljanje hrupa nov trend, ki bi se lahko potencialno razvil v akustično kamuflažo. Slušalke z aktivnim odpravljanjem hrupa so trenutno na voljo potrošniku. Razvijajo se tako imenovani sistemi za preprečevanje hrupa v bližini polja, ki so postavljeni v akustično bližnje polje, da aktivno zmanjšajo predvsem tonski hrup propelerjev. Predvideva se, da bi lahko razvili obetavne sisteme za akustična polja dolgega dosega, da bi prikrili dejanja pehote.
Elektromagnetna kamuflaža (na primer radar). Radarske maskirne mreže združujejo posebne premaze in tehnologijo mikrovlaken za zagotavljanje širokopasovnega radarskega dušenja nad 12 dB. Uporaba dodatnih termičnih premazov podaljša infrardečo zaščito.
BMS-ULCAS (Multispektralni ultra lahek kamuflažni zaslon) podjetja Saab Barracuda uporablja poseben material, ki je pritrjen na osnovni material. Material zmanjšuje zaznavanje širokopasovnega radarja, zožuje pa tudi vidno in infrardeče frekvenčno območje. Vsak zaslon je zasnovan posebej za opremo, ki jo ščiti.
Kamuflažne uniforme. Aktivna kamuflaža lahko v prihodnosti določi predmet, ki ga je treba prikriti, da ga prilagodi obliki prostora. Ta tehnologija je znana kot SAD (Shape Approximation Device) in ima potencial za zmanjšanje sposobnosti zaznavanja oblike. Eden najbolj prepričljivih primerov enotne kamuflaže je hobotnica, ki se lahko z okolico zlije ne le s spreminjanjem barve, temveč tudi s spremembo oblike in teksture kože.
Toplotna kamuflaža (npr. Infrardeča). Razvija se material, ki zmanjšuje toplotni podpis gole kože z razprševanjem emisij toplote z uporabo posrebrenih votlih keramičnih kroglic (senosfer), s premerom povprečno 45 mikronov, vgrajenih v vezivo za ustvarjanje pigmenta z nizkimi emisijskimi in difuzijskimi lastnostmi. Mikrokroglice delujejo kot ogledalo, odsevajo okoliški prostor in med seboj ter tako distribuirajo toplotno sevanje iz kože.
Večspektralna kamuflaža. Nekateri maskirni sistemi so večspektralni, kar pomeni, da delujejo za več vrst maskirnih naprav. Na primer, Saab Barracuda je razvil multispektralni maskirni izdelek visoke mobilnosti na vozilu (HMBS), ki med streljanjem in prerazporeditvijo ščiti artiljerijske dele. Možno je zmanjšanje podpisa do 90%, zatiranje toplotnega sevanja pa omogoča motorjem in generatorjem v prostem teku za hiter zagon. Nekateri sistemi imajo dvostransko prevleko, ki vojakom omogoča, da nosijo dvostransko maskirno masko za uporabo na različnih vrstah terena.
Konec leta 2006 je družba BAE Systems objavila tisto, kar je bilo opisano kot "skok naprej v maskirni tehnologiji", v središču napredne tehnologije pa je izumila "novo obliko aktivnega prikrivanja … S pritiskom na gumb predmeti postanejo skoraj nevidni in se mešajo. v njihovo ozadje. " Po navedbah BAE Systems je razvoj "podjetju dal desetletje vodilnega položaja v tehnologiji prikrivanja in bi lahko redefiniral svet" prikritega "inženiringa." Novi koncepti so bili izvedeni na podlagi novih materialov, kar omogoča ne le spreminjanje njihovih barv, temveč tudi premikanje infrardečega, mikrovalovnega in radarskega profila ter združevanje predmetov z ozadjem, zaradi česar so skoraj nevidni. Ta tehnologija je vgrajena v samo strukturo in ne temelji na uporabi dodatnega materiala, na primer barve ali lepilne plasti. To delo je že pripeljalo do registracije 9 patentov in lahko še vedno ponuja edinstvene rešitve za težave pri upravljanju podpisov.
Aktivni maskirni sistem, ki temelji na tehnologiji RPT s projekcijo na odsevni dežni plašč
Naslednja meja: transformacijska optika
Aktivni / prilagodljivi maskirni sistemi, opisani v tem članku in ki temeljijo na projekciji prizorov, so sami po sebi precej podobni znanstveni fantastiki (in res je bila to osnova filma "Predator"), vendar niso del najnaprednejše tehnologije, raziskane v iskanje "plašč nevidnosti". Dejansko so že opisane druge rešitve, ki bodo v primerjavi z aktivno kamuflažo veliko bolj učinkovite in praktične. Temeljijo na pojavu, znanem kot transformacijska optika. To pomeni, da se lahko nekatere valovne dolžine, vključno z vidno svetlobo, "upognejo" in tečejo okoli predmeta, kot je voda, ki obdaja kamen. Posledično postanejo predmeti za objektom vidni, kot da bi svetloba šla skozi prazen prostor, medtem ko predmet sam izgine iz pogleda. Teoretično optična transformacija ne more samo prikriti predmetov, ampak jih tudi narediti vidne tam, kjer jih ni.
Shematski prikaz načela nevidnosti s pomočjo transformacijske optike
Umetniška predstavitev strukture metamateriala
Da pa se to zgodi, je treba predmet ali območje zamaskirati s sredstvom za prikrivanje, ki ga sam ne sme zaznati elektromagnetni valovi. Ta orodja, imenovana metamateriali, uporabljajo celične strukture za ustvarjanje kombinacije značilnosti materiala, ki v naravi niso na voljo. Te strukture lahko usmerjajo elektromagnetne valove okoli predmeta in povzročijo, da se pojavijo na drugi strani.
Splošna ideja teh metamaterialov je negativna lomljivost. Nasprotno pa imajo vsi naravni materiali pozitiven lomni količnik, ki kaže, koliko elektromagnetnih valov je upognjenih, ko prehajajo iz enega medija v drugega. Klasična ilustracija, kako deluje lom: del palice, potopljene v vodo, se zdi upognjen pod površino vode. Če bi imela voda negativen lom, bi potopljeni del palice, nasprotno, štrlel s površine vode. Ali pa se na primer zdi, da se ribe, ki plavajo pod vodo, gibljejo v zraku nad površino vode.
Univerza Duke je januarja 2009 razkrila nov maskirajoči metamaterial
Slika elektronskega mikroskopa končnega 3D metamateriala. Razcepljeni resonatorji z zlatim nanosom so razporejeni v enakih vrstah
Shematski in elektronski mikroskopski pogled na metamaterial (zgoraj in ob strani), ki so ga razvili raziskovalci na Kalifornijski univerzi v Berkeleyju. Material je oblikovan iz vzporednih nanožic, vgrajenih v porozni aluminijev oksid. Ko vidna svetloba prehaja skozi material glede na pojav negativnega loma, se ta odkloni v nasprotni smeri.
Da ima metamaterial negativen lomni količnik, mora biti njegova strukturna matrika manjša od dolžine uporabljenega elektromagnetnega vala. Poleg tega morajo biti vrednosti dielektrične konstante (sposobnost prenosa električnega polja) in magnetne prepustnosti (kako se odziva na magnetno polje) negativne. Matematika je sestavni del oblikovanja parametrov, potrebnih za ustvarjanje metamaterialov, in dokazuje, da material zagotavlja nevidnost. Ni presenetljivo, da je bil večji uspeh dosežen pri delu z valovnimi dolžinami v širšem območju mikrovalov, ki sega od 1 mm do 30 cm. Ljudje vidijo svet v ozkem območju elektromagnetnega sevanja, znanega kot vidna svetloba, z valovnimi dolžinami od 400 nanometrov (vijolična in škrlatna svetloba) do 700 nanometrov (temno rdeča svetloba).
Po prvi demonstraciji izvedljivosti metamateriala leta 2006, ko je bil zgrajen prvi prototip, je ekipa inženirjev na univerzi Duke januarja 2009 objavila novo vrsto naprave za prikrivanje, ki je veliko bolj napredna pri prikrivanju širokega spektra frekvenc. Najnovejši napredek na tem področju je posledica razvoja nove skupine kompleksnih algoritmov za ustvarjanje in proizvodnjo metamaterialov. V nedavnih laboratorijskih poskusih se je žarek mikrovalov, ki je bil prek maskirnega sredstva usmerjen v "izboklino" na ravni zrcalni površini, odbil od površine pod enakim kotom, kot da ne bi bilo izbokline. Poleg tega je sredstvo za prikrivanje preprečilo nastanek razpršenih žarkov, ki običajno spremljajo takšne transformacije. Pojav, na katerem temelji kamuflaža, spominja na fatamorgano, ki so jo videli v vročem dnevu pred cesto.
V vzporednem in resnično konkurenčnem programu so znanstveniki Univerze v Kaliforniji sredi leta 2008 objavili, da so bili pionirji 3-D materialov, ki bi lahko spremenili normalno smer svetlobe v vidnem in bližnjem infrardečem spektru. Raziskovalci so sledili dvema različnima pristopoma. V prvem poskusu so zložili več izmeničnih plasti srebra in neprevodnega magnezijevega fluorida ter tako imenovane nanometrične vzorce "mrež" razrezali na plasti, da so ustvarili masivni optični metamaterial. Negativni lom je bil izmerjen pri valovnih dolžinah 1500 nanometrov. Drugi metamaterial so sestavljale srebrne nanožice, raztegnjene znotraj poroznega glinice; imel je negativno lom pri valovnih dolžinah 660 nanometrov v rdečem območju spektra.
Oba materiala sta dosegla negativno lom, pri čemer je bila količina absorbirane ali "izgubljene" energije, ko je svetloba prehajala skozi njih, minimalna.
Levo je shematična predstavitev prvega 3-D "mrežastega" metamateriala, razvitega na Univerzi v Kaliforniji, ki lahko doseže negativni lomni količnik v vidnem spektru. Na desni je slika dokončane strukture iz skenirnega elektronskega mikroskopa. Vmesne plasti tvorijo majhne obrise, ki lahko odbijajo svetlobo nazaj
Tudi januarja 2012 so raziskovalci na univerzi v Stuttgartu objavili, da so napredovali pri izdelavi večplastnega metamateriala z razdeljenim obročem za optične valovne dolžine. Ta postopek po plasteh, ki se lahko ponovi tolikokrat, kot je želeno, lahko ustvari dobro poravnane tridimenzionalne strukture iz metamaterialov. Ključ do tega uspeha je bila metoda planarizacije (izravnave) za hrapavo nanolitografsko površino v kombinaciji z vzdržljivimi fiduciali, ki vzdržijo postopke suhega jedkanja med nanoproizvodnjo. Rezultat je bila popolna poravnava skupaj z popolnoma ravnimi plastmi. Ta metoda je primerna tudi za izdelavo oblik proste oblike v vsaki plasti. Tako je mogoče ustvariti bolj zapletene strukture.
Vsekakor bo morda potrebno veliko več raziskav, preden bo mogoče ustvariti metamateriale, ki lahko delujejo v vidnem spektru, v katerem človeško oko vidi, in nato še praktične materiale, primerne na primer za oblačila. Toda tudi prikrivanje materialov, ki delujejo na le nekaj osnovnih valovnih dolžinah, bi lahko prineslo ogromne koristi. Lahko naredijo sisteme nočnega vida neučinkovite in predmete nevidne, na primer za laserske žarke, ki se uporabljajo za vodenje orožja.
Delovni koncept
Lahki optoelektronski sistemi so bili predlagani na podlagi sodobnih slikovnih naprav in zaslonov, zaradi katerih so izbrani predmeti skoraj pregledni in tako praktično nevidni. Ti sistemi se imenujejo aktivni ali prilagodljivi maskirni sistemi zaradi dejstva, da za razliko od tradicionalne kamuflaže ustvarjajo slike, ki se lahko spremenijo kot odziv na spremembe prizorov in svetlobnih pogojev.
Glavna funkcija adaptivnega maskirnega sistema je projicirati sceno (ozadje) za objektom na površino predmeta, ki je najbližji gledalcu. Z drugimi besedami, prizor (ozadje) za motivom se prenaša in prikazuje na ploščah pred motivom.
Tipičen aktivni maskirni sistem bo najverjetneje mreža prilagodljivih ploščatih zaslonov, razporejenih v obliki neke vrste odeje, ki bo pokrila vse vidne površine predmeta, ki jih je treba prikriti. Vsaka zaslonska plošča bo vsebovala aktivni senzor slikovnih pik (APS) ali morda drugo napredno sliko, ki bo usmerjena naprej od plošče in bo zavzela majhen del površine plošče. "Prevleka" bo vsebovala tudi žični okvir, ki podpira mrežo zamreženih optičnih vlaken, po katerih se bo slika iz vsakega APS prenašala na dodatno prikazovalno ploščo na nasprotni strani maskiranega predmeta.
Položaj in usmerjenost vseh slikovnih naprav bosta sinhronizirana s položajem in orientacijo enega senzorja, ki ga bo določil glavni slikar (senzor). Usmerjenost bo določena z orodjem za izravnavo, ki ga upravlja glavni slikovni senzor. Centralni krmilnik, priključen na zunanji merilnik svetlobe, bo samodejno prilagodil stopnje svetlosti vseh zaslonskih plošč, da ustrezajo razmeram zunanje svetlobe. Spodnja stran zamaskiranega predmeta bo umetno osvetljena, tako da bo slika zamaskiranega predmeta od zgoraj prikazala tla, kot bi bila naravno osvetljena; če se to ne doseže, bo opazovalec, ki gleda od zgoraj navzdol, viden očitno heterogenost in diskretnost senc.
Prikazovalne plošče je mogoče velikosti in konfigurirati tako, da lahko skupaj uporabimo te maske za prikrivanje različnih predmetov, ne da bi morali sami spreminjati predmete. Ocenjena je bila velikost in masa tipičnih sistemov in podsistemov prilagodljive kamuflaže: prostornina tipičnega slikovnega senzorja bo manjša od 15 cm3, medtem ko bo sistem, ki ogrne predmet 10 m dolg, 3 m visok in 5 m širok, imel masa manj kot 45 kg. Če je predmet, ki ga želite prikriti, vozilo, potem lahko prilagodljivi maskirni sistem enostavno aktivira električni sistem vozila, ne da bi to negativno vplivalo na njegovo delovanje.
Zanimiva rešitev za prilagodljivo kamuflažo vojaške opreme Adaptive iz BAE Systems
