Artystyczne przedstawienie przyszłego wozu bojowego chronionego aktywnym systemem kamuflażu
Obecnie piechota rozpoznanie i operacje infiltracyjne wykonywane są przy użyciu konwencjonalnego kamuflażu przeznaczonego do kamuflażu żołnierza przy użyciu dwóch głównych elementów: koloru i wzoru (wzór kamuflażu). Jednak operacje wojskowe w środowiskach miejskich stają się coraz bardziej powszechne, w których optymalny kolor i wzór może zmieniać się w sposób ciągły, nawet co minutę. Na przykład żołnierz ubrany w zielony mundur będzie wyraźnie wyróżniał się na tle białej ściany. Aktywny system kamuflażu mógł stale aktualizować kolor i wzór, ukrywając żołnierza w jego obecnym środowisku
Natura od milionów lat wykorzystuje aktywnie adaptacyjne „systemy” kamuflażu. Czy widzisz kameleona na tym zdjęciu?
Uproszczone przedstawienie zasady działania kamuflażu aktywno-adaptacyjnego na przykładzie czołgu MBT
Ten artykuł zawiera przegląd obecnych i przewidywanych aktywnych (adaptacyjnych) systemów kamuflażu. Chociaż istnieje wiele zastosowań tych systemów lub są one w fazie rozwoju, badania koncentrują się na systemach, które mogłyby zostać wykorzystane w operacjach piechoty. Ponadto celem tych badań jest dostarczenie informacji wykorzystywanych do oceny bieżącego zastosowania aktywnych systemów kamuflażu oraz pomoc w projektowaniu przyszłych.
Definicje i podstawowe pojęcia
Kamuflaż aktywny w zakresie widzialnym różni się od kamuflażu konwencjonalnego na dwa sposoby. Po pierwsze, zastępuje maskowany wygląd wyglądem, który nie tylko przypomina otoczenie (jak tradycyjne maskowanie), ale dokładnie przedstawia to, co kryje się za maskowanym obiektem.
Po drugie, aktywny kamuflaż również robi to w czasie rzeczywistym. Idealnie, aktywny kamuflaż mógłby nie tylko naśladować pobliskie obiekty, ale także te odległe, być może aż do horyzontu, tworząc doskonały wizualny kamuflaż. Wizualny aktywny kamuflaż może być używany do wyłączania zdolności ludzkiego oka i czujników optycznych do rozpoznawania obecności celów.
Istnieje wiele przykładów aktywnych systemów kamuflażu w fikcji, a programiści często wybierają nazwę technologii na podstawie niektórych terminów i nazw z fikcji. Ogólnie odnoszą się one do pełnego aktywnego kamuflażu (tj. całkowitej niewidzialności) i nie odnoszą się do możliwości częściowego aktywnego kamuflażu, aktywnego kamuflażu dla operacji specjalnych ani żadnego z aktualnych postępów technologicznych w świecie rzeczywistym. Jednak całkowita niewidzialność z pewnością przyda się w operacjach piechoty, takich jak rozpoznanie i operacje infiltracyjne.
Kamuflaż stosuje się nie tylko w widmie wizualnym, ale także w akustyce (np. sonar), widmie elektromagnetycznym (np. radar), polu termicznym (np. promieniowanie podczerwone) oraz do zmiany kształtu obiektu. Technologie kamuflażu, w tym niektóre kamuflaże aktywne, zostały do pewnego stopnia opracowane dla wszystkich tych typów, zwłaszcza dla pojazdów (lądowych, morskich i powietrznych). Chociaż praca ta dotyczy przede wszystkim wizualnego kamuflażu dla piechoty, warto pokrótce wspomnieć o rozwiązaniach w innych obszarach, ponieważ niektóre pomysły technologiczne można przenieść na widmo widzialne.
Kamuflaż wizualny. Kamuflaż wizualny składa się z kształtu, powierzchni, połysku, sylwetki, cienia, pozycji i ruchu. Aktywny system kamuflażu może zawierać wszystkie te aspekty. Ten artykuł skupia się na wizualnym aktywnym kamuflażu, więc te systemy są szczegółowo opisane w kolejnych podrozdziałach.
Kamuflaż akustyczny (np. sonar). Od lat czterdziestych wiele krajów eksperymentowało z powierzchniami dźwiękochłonnymi, aby zredukować odbicia sonaru łodzi podwodnych. Technologie zagłuszania broni są rodzajem kamuflażu akustycznego. Ponadto aktywna redukcja szumów to nowy trend, który potencjalnie może przekształcić się w kamuflaż akustyczny. Słuchawki z aktywną redukcją szumów są obecnie dostępne dla konsumentów. Opracowywane są tak zwane systemy aktywnego tłumienia hałasu bliskiego pola, które są umieszczane w akustycznym polu bliskim, aby aktywnie minimalizować, przede wszystkim, hałas tonalny śmigieł. Przewiduje się, że można by opracować obiecujące systemy pól akustycznych dalekiego zasięgu w celu zamaskowania działań piechoty.
Kamuflaż elektromagnetyczny (np. radar). Siatki kamuflażowe radaru łączą specjalne powłoki i technologię mikrowłókien, aby zapewnić szerokopasmowe tłumienie radaru przekraczające 12 dB. Zastosowanie opcjonalnych powłok termicznych wydłuża ochronę przed podczerwienią.
BMS-ULCAS (Multispectral Ultra Lightweight Camouflage Screen) firmy Saab Barracuda wykorzystuje specjalny materiał, który jest przymocowany do materiału bazowego. Materiał ogranicza wykrywalność radaru szerokopasmowego, a także zawęża zakresy częstotliwości widzialnej i podczerwieni. Każdy ekran jest zaprojektowany specjalnie dla sprzętu, który chroni.
Mundury kamuflażowe. W przyszłości aktywny kamuflaż może określać obiekt do zamaskowania w celu dostosowania go do kształtu przestrzeni. Technologia ta jest znana jako SAD (urządzenie do przybliżania kształtu) i może zmniejszyć zdolność wykrywania kształtu. Jednym z najbardziej przekonujących przykładów jednolitego kamuflażu jest ośmiornica, która potrafi wtopić się w otoczenie nie tylko zmieniając kolor, ale także kształt i fakturę swojej skóry.
Kamuflaż termiczny (np. na podczerwień). Opracowywany jest materiał, który osłabia sygnaturę cieplną nagiej skóry poprzez rozpraszanie emisji ciepła za pomocą posrebrzanych pustych kulek ceramicznych (senosfer) o średniej średnicy 45 mikronów, osadzonych w spoiwie, aby stworzyć pigment o niskiej emisji i właściwościach dyfuzyjnych. Mikrokulki działają jak lustro, odbijając otaczającą przestrzeń i siebie nawzajem, a tym samym rozprowadzając promieniowanie cieplne ze skóry.
Kamuflaż wielospektralny. Niektóre systemy kamuflażu są wielospektralne, co oznacza, że działają dla więcej niż jednego typu kamuflażu. Na przykład Saab Barracuda opracował wielospektralny system kamuflażowy High Mobility On-Board System (HMBS), który chroni działa artyleryjskie podczas strzelania i ponownego rozmieszczenia. Możliwe są charakterystyczne redukcje nawet o 90%, a tłumienie promieniowania cieplnego umożliwia pracę silników i generatorów na biegu jałowym w celu szybkiego rozruchu. Niektóre systemy mają powłokę dwustronną, która pozwala żołnierzom nosić dwustronny kamuflaż do użytku na różnych rodzajach terenu.
Pod koniec 2006 roku firma BAE Systems ogłosiła coś, co zostało opisane jako „skok naprzód w technologii kamuflażu”, w centrum zaawansowanej technologii wynaleziono „nową formę aktywnego ukrywania się… Za naciśnięciem przycisku obiekty stają się praktycznie niewidoczne, mieszając się na ich tle”. Według BAE Systems rozwój „dał firmie dekadę lidera w technologii stealth i mógł na nowo zdefiniować świat inżynierii 'stealth'”. Nowe koncepcje zostały wdrożone w oparciu o nowe materiały, co pozwala nie tylko zmieniać ich kolory, ale także przesuwać profil podczerwieni, mikrofalowy i radarowy oraz scalać obiekty z tłem, przez co stają się niemal niewidoczne. Technologia ta jest wbudowana w samą konstrukcję, a nie opiera się na wykorzystaniu dodatkowego materiału, takiego jak farba czy warstwa klejąca. Prace te doprowadziły już do zarejestrowania 9 patentów i nadal mogą dostarczyć unikalnych rozwiązań problemów związanych z zarządzaniem podpisami.
System aktywnego kamuflażu oparty na technologii RPT z projekcją na odblaskowy płaszcz przeciwdeszczowy
Następna granica: optyka transformacyjna
Aktywne/adaptacyjne systemy kamuflażu opisane w tym artykule i oparte na projekcji sceny są same w sobie dość podobne do science fiction (i rzeczywiście to było podstawą filmu „Predator”), ale nie są częścią najbardziej zaawansowanej technologii badanej w poszukiwanie „Całun niewidzialności”. Rzeczywiście, nakreślono już inne rozwiązania, które będą znacznie skuteczniejsze i praktyczne w porównaniu z aktywnym kamuflażem. Opierają się na zjawisku znanym jako optyka transformacyjna. Oznacza to, że niektóre długości fal, w tym światło widzialne, mogą być „zagięte” i opływać obiekt jak woda otaczająca kamień. W rezultacie obiekty znajdujące się za obiektem stają się widoczne, jakby światło przeszło przez pustą przestrzeń, podczas gdy sam obiekt znika z pola widzenia. W teorii optyka transformacyjna może nie tylko maskować obiekty, ale także uwidaczniać je tam, gdzie ich nie ma.
Schematyczne przedstawienie zasady niewidzialności za pomocą optyki transformacyjnej
Artystyczne przedstawienie struktury metamateriału
Aby jednak tak się stało, obiekt lub obszar musi być zamaskowany za pomocą środka maskującego, który sam musi być niewykrywalny dla fal elektromagnetycznych. Narzędzia te, zwane metamateriałami, wykorzystują struktury komórkowe do tworzenia kombinacji cech materiałów niedostępnych w naturze. Struktury te mogą kierować fale elektromagnetyczne wokół obiektu i powodować ich pojawienie się po drugiej stronie.
Ogólną ideą takich metamateriałów jest ujemna refrakcja. W przeciwieństwie do tego, wszystkie naturalne materiały mają dodatni współczynnik załamania, który jest wskaźnikiem tego, jak bardzo fale elektromagnetyczne są zaginane podczas przechodzenia z jednego ośrodka do drugiego. Klasyczna ilustracja działania refrakcji: część kija zanurzona w wodzie wydaje się być zgięta pod powierzchnią wody. Gdyby woda miała ujemne załamanie, zanurzona część kija, wręcz przeciwnie, wystawałaby z powierzchni wody. Lub, dla innego przykładu, ryba pływająca pod wodą wydaje się poruszać w powietrzu nad powierzchnią wody.
Nowy metamateriał maskujący ujawniony przez Duke University w styczniu 2009 r.
Obraz z mikroskopu elektronowego gotowego metamateriału 3D. Rozdzielone rezonatory z nanoringów ze złota są ułożone w równych rzędach
Schematyczny i elektronowy widok metamateriału (góra i bok) opracowany przez naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Materiał jest uformowany z równoległych nanodrutów osadzonych w porowatym tlenku glinu. Gdy światło widzialne przechodzi przez materiał zgodnie ze zjawiskiem załamania ujemnego, jest odchylane w przeciwnym kierunku.
Aby metamateriał miał ujemny współczynnik załamania, jego matryca strukturalna musi być mniejsza niż długość użytej fali elektromagnetycznej. Ponadto wartości stałej dielektrycznej (zdolność do przenoszenia pola elektrycznego) i przepuszczalności magnetycznej (jak reaguje na pole magnetyczne) muszą być ujemne. Matematyka jest integralną częścią projektowania parametrów potrzebnych do tworzenia metamateriałów i pokazuje, że materiał gwarantuje niewidzialność. Nic dziwnego, że większy sukces osiągnięto pracując z długościami fal w szerszym zakresie mikrofal, który waha się od 1 mm do 30 cm. Ludzie widzą świat w wąskim zakresie promieniowania elektromagnetycznego, znanego jako światło widzialne, o długości fali od 400 nanometrów (fiolet i magenta) do 700 nanometrów (ciemnoczerwone światło).
Po pierwszej demonstracji wykonalności metamateriału w 2006 roku, kiedy zbudowano pierwszy prototyp, zespół inżynierów z Duke University ogłosił w styczniu 2009 roku nowy typ urządzenia maskującego, znacznie bardziej zaawansowanego w maskowaniu w szerokim spektrum częstotliwości. Najnowsze postępy w tej dziedzinie wynikają z opracowania nowej grupy złożonych algorytmów do tworzenia i produkcji metamateriałów. W ostatnich eksperymentach laboratoryjnych wiązka mikrofal skierowana przez środki maskujące do „wybrzuszenia” na płaskiej powierzchni lustra odbijała się od powierzchni pod takim samym kątem, jak gdyby nie było wybrzuszenia. Dodatkowo środek maskujący zapobiegał powstawaniu rozproszonych wiązek, zwykle towarzyszących takim przekształceniom. Zjawisko leżące u podstaw kamuflażu przypomina miraż widziany w upalny dzień przed drogą.
W równoległym i prawdziwie konkurencyjnym programie naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego ogłosili w połowie 2008 roku, że opracowali pionierskie materiały trójwymiarowe, które mogą zmieniać normalny kierunek światła w widmach widzialnych i bliskiej podczerwieni. Naukowcy zastosowali dwa różne podejścia. W pierwszym eksperymencie ułożyli w stos kilka naprzemiennych warstw srebra i nieprzewodzącego fluorku magnezu i pocięli tak zwane nanometryczne wzory „siatek” na warstwy, aby stworzyć masowy metamateriał optyczny. Ujemne załamanie mierzono przy długości fali 1500 nanometrów. Drugi metamateriał składał się z nanodrutów srebra rozciągniętych wewnątrz porowatego tlenku glinu; miał ujemne załamanie przy długości fali 660 nanometrów w czerwonym obszarze widma.
Oba materiały osiągnęły ujemną refrakcję, a ilość pochłoniętej lub „utraconej” energii podczas przechodzenia przez nie światła była minimalna.
Po lewej znajduje się schematyczne przedstawienie pierwszego trójwymiarowego metamateriału „siatkowego” opracowanego na Uniwersytecie Kalifornijskim, który może osiągnąć ujemny współczynnik załamania światła w zakresie widzialnym. Po prawej stronie znajduje się obraz gotowej struktury ze skaningowego mikroskopu elektronowego. Przerywane warstwy tworzą małe kontury, które mogą odbijać światło z powrotem
Również w styczniu 2012 r. naukowcy z Uniwersytetu w Stuttgarcie ogłosili, że poczynili postępy w wytwarzaniu wielowarstwowego metamateriału z rozszczepionymi pierścieniami dla długości fal optycznych. Ta procedura warstwa po warstwie, którą można powtarzać dowolną liczbę razy, umożliwia tworzenie dobrze wyrównanych struktur trójwymiarowych z metamateriałów. Kluczem do tego sukcesu była metoda planaryzacji (poziomowania) szorstkiej powierzchni nanolitograficznej w połączeniu z trwałymi fiducialami, które wytrzymują procesy suchego trawienia podczas nanoprodukcji. Rezultatem było idealne wyrównanie wraz z absolutnie płaskimi warstwami. Ta metoda nadaje się również do wytwarzania dowolnych kształtów w każdej warstwie. Dzięki temu możliwe jest tworzenie bardziej złożonych struktur.
Z pewnością, zanim powstaną metamateriały, które mogą pracować w widmie widzialnym, w którym widzi ludzkie oko, może być potrzebne znacznie więcej badań, a następnie praktyczne materiały nadające się np. na odzież. Ale nawet materiały maskujące działające na zaledwie kilku podstawowych długościach fal mogą przynieść ogromne korzyści. Mogą sprawić, że systemy noktowizyjne staną się nieskuteczne, a obiekty niewidoczne, na przykład dla wiązek laserowych służących do naprowadzania broni.
Koncepcja pracy
Zaproponowano lekkie systemy optoelektroniczne w oparciu o nowoczesne urządzenia obrazujące i wyświetlacze, które sprawiają, że wybrane obiekty stają się niemal przezroczyste, a przez to praktycznie niewidoczne. Systemy te nazywane są aktywnymi lub adaptacyjnymi systemami kamuflażu, ponieważ w przeciwieństwie do tradycyjnego kamuflażu generują obrazy, które mogą się zmieniać w odpowiedzi na zmiany scenerii i warunków oświetleniowych.
Główną funkcją systemu kamuflażu adaptacyjnego jest rzutowanie sceny (tła) za obiektem na powierzchnię obiektu najbliżej widza. Innymi słowy, scena (tło) za obiektem jest transportowana i wyświetlana w panelach przed obiektem.
Typowym aktywnym systemem kamuflażu będzie najprawdopodobniej sieć elastycznych płaskich wyświetlaczy panelowych ułożonych w formie pewnego rodzaju koca, który pokryje wszystkie widoczne powierzchnie obiektu, który należy zakamuflować. Każdy panel wyświetlacza będzie zawierał aktywny czujnik pikseli (APS) lub ewentualnie inny zaawansowany przetwornik obrazu, który zostanie skierowany przed panel i zajmie niewielką część obszaru panelu. „Narzuta” będzie również zawierać drucianą ramę podtrzymującą sieć usieciowanych światłowodów, przez które obraz z każdego APS będzie przesyłany do dodatkowego panelu wyświetlacza po przeciwnej stronie maskowanego obiektu.
Położenie i orientacja wszystkich urządzeń obrazujących będą zsynchronizowane z położeniem i orientacją jednego czujnika, co zostanie określone przez główny przetwornik obrazu (czujnik). Orientacja zostanie określona przez narzędzie do poziomowania sterowane przez główny czujnik obrazu. Centralny sterownik podłączony do zewnętrznego miernika światła automatycznie dostosuje poziomy jasności wszystkich paneli wyświetlacza do warunków oświetlenia otoczenia. Spód zamaskowanego obiektu zostanie sztucznie oświetlony, tak aby obraz zamaskowanego obiektu z góry ukazywał podłoże tak, jakby było ono naturalnie oświetlone; jeśli nie zostanie to osiągnięte, wówczas oczywista niejednorodność i dyskretność cieni będzie widoczna dla obserwatora patrzącego od góry do dołu.
Panele wyświetlania można zmieniać i konfigurować tak, aby można było używać wszystkich tych paneli do maskowania różnych obiektów bez konieczności modyfikowania samych obiektów. Oszacowano wielkość i masę typowych systemów i podsystemów kamuflażu adaptacyjnego: objętość typowego przetwornika obrazu będzie mniejsza niż 15 cm3, natomiast system maskujący obiekt o długości 10 m, wysokości 3 m i szerokości 5 m będzie miał masa mniejsza niż 45 kg. Jeśli maskowanym obiektem jest pojazd, wówczas system adaptacyjnego kamuflażu może być łatwo aktywowany przez instalację elektryczną pojazdu bez negatywnego wpływu na jego działanie.
Ciekawe rozwiązanie do adaptacyjnego kamuflażu sprzętu wojskowego Adaptive firmy BAE Systems
