Umělecké ztvárnění budoucího bojového vozidla chráněného aktivním kamuflážním systémem
V současné době jsou průzkumné a infiltrační operace pěchoty prováděny pomocí konvenční kamufláže určené k maskování vojáka pomocí dvou hlavních prvků: barvy a vzoru (maskovací vzor). Stále častěji však převládají vojenské operace v městském prostředí, ve kterých se optimální barva a vzor mohou plynule měnit, dokonce každou minutu. Například proti bílé zdi jasně vynikne voják v zelené uniformě. Aktivní kamuflážní systém mohl neustále aktualizovat barvu a vzor, skrývající vojáka v jeho aktuálním prostředí
Příroda používá aktivně adaptivní kamuflážní „systémy“miliony let. Vidíte na této fotografii chameleona?
Zjednodušené znázornění principu činnosti aktivně-adaptivní kamufláže na příkladu MBT
Tento článek přináší přehled aktuálních a projektovaných aktivních (adaptivních) kamuflážních systémů. I když pro tyto systémy existuje mnoho aplikací nebo jsou ve vývoji, výzkum se zaměřuje na systémy, které by mohly být použity v pěchotních operacích. Účelem těchto studií je navíc poskytnout informace používané k posouzení současné použitelnosti aktivních kamuflážních systémů a pomoci navrhnout ty budoucí.
Definice a základní pojmy
Aktivní kamufláž ve viditelném spektru se liší od konvenční kamufláže dvěma způsoby. Nejprve nahradí vzhled maskovaného vzhledu vzhledem, který nejenže připomíná prostředí (jako tradiční maskování), ale přesně vyjadřuje, co je za maskovaným objektem.
Za druhé, aktivní kamufláž to také dělá v reálném čase. V ideálním případě by aktivní kamufláž mohla napodobovat nejen blízké objekty, ale i vzdálené, případně až na horizont, a vytvořit tak dokonalou vizuální kamufláž. Vizuálně aktivní kamufláž lze použít k deaktivaci schopnosti lidského oka a optických senzorů rozpoznat přítomnost cílů.
Existuje mnoho příkladů aktivních kamuflážních systémů v beletrii a vývojáři často volí název pro technologii na základě některých termínů a názvů od beletrie. Obecně se vztahují na plnou aktivní kamufláž (tj. Úplnou neviditelnost) a nevztahují se na možnosti částečné aktivní kamufláže, aktivní kamufláže pro speciální operace nebo jakýkoli současný technologický pokrok v reálném světě. Úplná neviditelnost však bude určitě užitečná pro operace pěchoty, jako jsou průzkumné a infiltrační operace.
Kamufláž se používá nejen ve vizuálním spektru, ale také v akustice (například sonar), elektromagnetickém spektru (například radar), tepelném poli (například infračervené záření) a při změně tvaru předmětu. Kamuflážní technologie, včetně některých aktivních kamufláží, byly do určité míry vyvinuty pro všechny tyto typy, zejména pro vozidla (pozemní, námořní a vzdušná). Přestože se tato práce týká především vizuální kamufláže sesazeného pěšáka, je užitečné stručně zmínit řešení v jiných oblastech, protože některé technologické nápady lze přenést do viditelného spektra.
Vizuální kamufláž. Vizuální kamufláž se skládá z tvaru, povrchu, lesku, siluety, stínu, polohy a pohybu. Aktivní kamuflážní systém může obsahovat všechny tyto aspekty. Tento článek se zaměřuje na vizuálně aktivní kamufláž, proto jsou tyto systémy podrobně popsány v následujících podsekcích.
Akustická kamufláž (např. Sonar). Od čtyřicátých let mnoho zemí experimentovalo s povrchy pohlcujícími zvuk, aby omezily odrazy sonarů ponorek. Technologie rušení zbraní jsou typem akustické kamufláže. Aktivní potlačení hluku je navíc novým trendem, který by se potenciálně mohl vyvinout v akustickou kamufláž. Aktivní sluchátka s potlačením hluku jsou v současné době spotřebiteli k dispozici. Vyvíjejí se takzvané systémy aktivního potlačení hluku Near-Field, které jsou umístěny v akustickém blízkém poli, aby aktivně minimalizovaly především tonální hluk vrtulí. Předpokládá se, že by mohly být vyvinuty slibné systémy pro akustická pole s dlouhým dosahem, které by maskovaly akce pěchoty.
Elektromagnetická kamufláž (například radar). Radarové maskovací sítě kombinují speciální povlaky a technologii mikrovláken a poskytují širokopásmový radarový útlum přesahující 12 dB. Použití volitelných tepelných povlaků rozšiřuje infračervenou ochranu.
BMS-ULCAS (Multispectral Ultra Lightweight Camouflage Screen) od Saab Barracuda používá speciální materiál, který je připevněn k základnímu materiálu. Materiál snižuje detekci širokopásmového radaru a také zužuje viditelné a infračervené frekvenční rozsahy. Každá obrazovka je navržena speciálně pro zařízení, které chrání.
Maskáčové uniformy. V budoucnosti může aktivní kamufláž určit předmět, který má být maskován, aby jej přizpůsobil tvaru prostoru. Tato technologie je známá jako SAD (Shape Approximation Device) a má potenciál snížit schopnost detekce tvarů. Jedním z nejpřesvědčivějších příkladů jednotné kamufláže je chobotnice, která dokáže splynout se svým okolím nejen změnou barvy, ale také změnou tvaru a struktury kůže.
Tepelná kamufláž (např. Infračervená). Vyvíjí se materiál, který zeslabuje tepelnou signaturu nahé kůže difúzí tepelné emise pomocí postříbřených dutých keramických kuliček (senospheres), průměrně 45 mikronů v průměru, vložených do pojiva za účelem vytvoření pigmentu s nízkými emisními a difuzními vlastnostmi. Mikroperličky fungují jako zrcadlo, odrážejí okolní prostor i navzájem, a tím distribuují tepelné záření z kůže.
Multispektrální kamufláž. Některé kamuflážní systémy jsou multispektrální, což znamená, že fungují pro více než jeden typ kamufláže. Společnost Saab Barracuda například vyvinula multispektrální kamuflážní produkt High Mobility on-Board System (HMBS), který chrání dělostřelecké předměty při střelbě a opětovném nasazení. Možné je snížení podpisu až o 90% a potlačení tepelného záření umožňuje motorům a generátorům volnoběh pro rychlé spuštění. Některé systémy mají oboustranný povlak, který umožňuje vojákům oboustrannou kamufláž pro použití na různých typech terénu.
Na konci roku 2006 společnost BAE Systems oznámila to, co bylo popsáno jako „skok vpřed v kamuflážních technologiích“, ve svém středu pokročilé technologie vynalezl „novou formu aktivního utajení … Po stisknutí tlačítka se objekty stanou prakticky neviditelnými a mísí se. do jejich pozadí. Podle společnosti BAE Systems vývoj „dal společnosti desetiletí vedoucí postavení v technologii stealth a mohl by předefinovat svět inženýrství„ stealth “. Nové koncepty byly implementovány na základě nových materiálů, což umožňuje nejen měnit jejich barvy, ale také přesouvat infračervený, mikrovlnný a radarový profil a slučovat objekty s pozadím, díky čemuž jsou téměř neviditelné. Tato technologie je zabudována do samotné struktury, nikoli na základě použití dalšího materiálu, jako je barva nebo lepicí vrstva. Tato práce již vedla k registraci 9 patentů a stále může poskytovat jedinečná řešení problémů se správou podpisů.
Aktivní kamuflážní systém založený na technologii RPT s projekcí na reflexní pláštěnku
Další hranice: transformační optika
Aktivní / adaptivní kamuflážní systémy popsané v tomto článku a založené na projekci scény jsou samy o sobě dost podobné sci -fi (a ve skutečnosti to byl základ filmu „Predátor“), ale nejsou součástí nejpokročilejší technologie zkoumané v hledání „rubáš neviditelnosti“. Ve skutečnosti jsou již nastíněna další řešení, která budou ve srovnání s aktivním maskováním mnohem efektivnější a praktičtější. Jsou založeny na jevu známém jako transformační optika. To znamená, že některé vlnové délky, včetně viditelného světla, lze „ohnout“a proudit kolem předmětu jako voda obklopující kámen. V důsledku toho se objekty za objektem stanou viditelnými, jako by světlo prošlo prázdným prostorem, zatímco samotný objekt zmizí z dohledu. Transformační optika může objekty nejen maskovat, ale také je zviditelnit tam, kde nejsou.
Schematické znázornění principu neviditelnosti pomocí transformační optiky
Umělecké znázornění struktury metamateriálu
Aby se to však stalo, musí být předmět nebo oblast maskovány maskovacím činidlem, které musí být samo o sobě nezjistitelné pro elektromagnetické vlny. Tyto nástroje, nazývané metamateriály, používají buněčné struktury k vytvoření kombinace materiálových charakteristik, které v přírodě nejsou k dispozici. Tyto struktury mohou směrovat elektromagnetické vlny kolem předmětu a způsobit, že se objeví na druhé straně.
Obecnou myšlenkou takových metamateriálů je negativní refrakce. Naproti tomu všechny přírodní materiály mají pozitivní index lomu, což je ukazatel toho, jak moc jsou elektromagnetické vlny ohnuty při průchodu z jednoho média do druhého. Klasická ukázka toho, jak funguje lom: část tyčinky ponořené do vody se zdá být ohnutá pod vodní hladinou. Pokud by měla voda negativní lom, ponořená část tyčinky by naopak vyčnívala z hladiny vody. Nebo se například zdá, že ryba plavající pod vodou se pohybuje ve vzduchu nad vodní hladinou.
Nový maskovací metamateriál odhalený Duke University v lednu 2009
Obraz elektronového mikroskopu hotového 3D metamateriálu. Rozdělené zlaté nanoringové rezonátory jsou uspořádány v sudých řadách
Schematický a elektronový mikroskop pohled na metamateriál (horní a boční) vyvinutý vědci z University of California, Berkeley. Materiál je vytvořen z paralelních nanodrátů vložených do porézního oxidu hlinitého. Když viditelné světlo prochází materiálem podle jevu negativního lomu, je vychýleno v opačném směru.
Aby měl metamateriál negativní index lomu, musí být jeho strukturní matice menší než délka použité elektromagnetické vlny. Kromě toho musí být záporné hodnoty dielektrické konstanty (schopnost přenášet elektrické pole) a magnetické propustnosti (jak reaguje na magnetické pole). Matematika je nedílnou součástí navrhování parametrů potřebných k vytváření metamateriálů a ukazuje, že materiál zaručuje neviditelnost. Není překvapením, že většího úspěchu bylo dosaženo při práci s vlnovými délkami v širším mikrovlnném rozsahu, který se pohybuje od 1 mm do 30 cm. Lidé vidí svět v úzkém rozsahu elektromagnetického záření, známého jako viditelné světlo, s vlnovými délkami od 400 nanometrů (fialové a purpurové světlo) až 700 nanometrů (tmavě červené světlo).
Po první demonstraci proveditelnosti metamateriálu v roce 2006, kdy byl postaven první prototyp, oznámil tým inženýrů z Duke University v lednu 2009 nový typ maskovacího zařízení, mnohem pokročilejšího v maskování napříč širokým spektrem frekvencí. Nejnovější pokroky v této oblasti jsou dány vývojem nové skupiny komplexních algoritmů pro tvorbu a výrobu metamateriálů. V nedávných laboratorních experimentech se paprsek mikrovln namířený maskovacím prostředkem do „vyboulení“na plochém zrcadlovém povrchu odrážel od povrchu ve stejném úhlu, jako by žádné vyboulení neexistovalo. Maskovací činidlo navíc zabránilo tvorbě rozptýlených paprsků, které obvykle doprovázejí takové transformace. Fenomén, který je základem maskování, připomíná fatamorgánu viděnou v horkém dni před vozovkou.
V paralelním a skutečně konkurenčním programu vědci z Kalifornské univerzity v polovině roku 2008 oznámili, že propagovali 3-D materiály, které by mohly změnit normální směr světla ve viditelném a blízkém infračerveném spektru. Vědci sledovali dva odlišné přístupy. V prvním experimentu naskládali několik střídajících se vrstev stříbra a nevodivého fluoridu hořečnatého a rozřezali takzvané nanometrické „síťové“vzory do vrstev, aby vytvořili objemný optický metamateriál. Negativní lom byl měřen na vlnových délkách 1 500 nanometrů. Druhý metamateriál sestával ze stříbrných nanodrátů natažených uvnitř porézního oxidu hlinitého; mělo negativní lom světla na vlnových délkách 660 nanometrů v červené oblasti spektra.
Oba materiály dosáhly negativního lomu, přičemž množství absorbované nebo „ztracené“energie při průchodu světla jimi bylo minimální.
Vlevo je schematické znázornění prvního 3-D „síťového“metamateriálu vyvinutého na Kalifornské univerzitě, který může dosáhnout negativního indexu lomu ve viditelném spektru. Vpravo je obraz hotové struktury ze skenovacího elektronového mikroskopu. Přerušované vrstvy tvoří malé obrysy, které mohou vychylovat světlo zpět
V lednu 2012 také vědci z univerzity ve Stuttgartu oznámili, že pokročili ve výrobě vícevrstvého metamateriálu s děleným prstencem pro optické vlnové délky. Tento postup po vrstvách, který se může opakovat tolikrát, kolikrát je to žádoucí, je schopen vytvářet dobře zarovnané trojrozměrné struktury z metamateriálů. Klíčem k tomuto úspěchu byla planarizační (nivelační) metoda pro hrubý nanolitografický povrch v kombinaci s trvanlivými referenčními materiály, které odolávají procesům suchého leptání během nano-výroby. Výsledkem bylo dokonalé zarovnání spolu s absolutně plochými vrstvami. Tato metoda je také vhodná pro výrobu volných tvarů v každé vrstvě. Je tedy možné vytvářet složitější struktury.
Určitě může být zapotřebí mnohem více výzkumu, než bude možné vytvořit metamateriály, které mohou pracovat ve viditelném spektru, do kterého lidské oko vidí, a poté praktické materiály vhodné například pro oděvy. Ale i maskování materiálů pracujících na několika základních vlnových délkách by mohlo nabídnout obrovské výhody. Mohou učinit systémy nočního vidění neúčinnými a objekty neviditelné například pro laserové paprsky používané k navádění zbraní.
Pracovní koncept
Byly navrženy lehké optoelektronické systémy založené na moderních zobrazovacích zařízeních a displejích, díky nimž jsou vybrané objekty téměř průhledné a prakticky neviditelné. Tyto systémy se nazývají aktivní nebo adaptivní kamuflážní systémy, protože na rozdíl od tradičních kamufláží vytvářejí obrazy, které se mohou měnit v reakci na změny scén a světelných podmínek.
Hlavní funkcí adaptivního kamuflážního systému je promítat scénu (pozadí) za objekt na povrch objektu nejblíže divákovi. Jinými slovy, scéna (pozadí) za objektem je přenesena a zobrazena v panelech před subjektem.
Typickým aktivním kamuflážním systémem bude s největší pravděpodobností síť flexibilních plochých displejů uspořádaných ve formě jakési přikrývky, která pokryje všechny viditelné povrchy předmětu, který je třeba maskovat. Každý zobrazovací panel bude obsahovat aktivní pixelový snímač (APS) nebo případně jiný pokročilý snímač, který bude směřovat dopředu z panelu a bude zabírat malou část oblasti panelu. „Pokrývka“bude také obsahovat drátěný rám, který podporuje síť zesíťovaných optických vláken, přes které bude obraz z každého APS přenášen na další zobrazovací panel na opačné straně maskovaného objektu.
Poloha a orientace všech zobrazovacích zařízení bude synchronizována s polohou a orientací jednoho snímače, který bude určen hlavním zobrazovacím zařízením (snímačem). Orientaci určí nivelační nástroj ovládaný hlavním obrazovým snímačem. Centrální ovladač připojený k externímu měřiči světla automaticky upraví úrovně jasu všech zobrazovacích panelů tak, aby odpovídaly okolním světelným podmínkám. Spodní strana maskovaného předmětu bude uměle osvětlena, takže obraz maskovaného předmětu shora ukazuje zem, jako by byla přirozeně osvětlena; pokud toho není dosaženo, pak zjevná heterogenita a diskrétnost stínů bude viditelná pro pozorovatele při pohledu shora dolů.
Zobrazovací panely mohou být dimenzovány a konfigurovány tak, že celkem těchto panelů lze použít k maskování různých objektů, aniž byste museli upravovat samotné objekty. Byla odhadnuta velikost a hmotnost typických systémů a subsystémů adaptivního maskování: objem typického obrazového snímače bude menší než 15 cm3, zatímco systém, který maskuje předmět dlouhý 10 m, vysoký 3 m a široký 5 m, bude mít hmotnost menší než 45 kg. Pokud je předmětem, který má být maskován, vozidlo, pak lze adaptivní maskovací systém snadno aktivovat elektrickým systémem vozidla bez jakéhokoli negativního dopadu na jeho provoz.
Zajímavé řešení adaptivního maskování vojenské techniky Adaptive od BAE Systems
