Художествено представяне на бъдеща бойна машина, защитена от активна камуфлажна система
Понастоящем пехотните разузнавателни и инфилтрационни операции се извършват с конвенционален камуфлаж, предназначен да замаскира войник, използвайки два основни елемента: цвят и модел (камуфлажен модел). Военните операции в градска среда обаче стават все по -разпространени, при които оптималният цвят и модел могат да се променят непрекъснато, дори всяка минута. Например войник, облечен в зелена униформа, ще се откроява ясно на бяла стена. Активна камуфлажна система може постоянно да актуализира цвета и модела, скривайки войника в сегашната му среда
Природата използва активно адаптивни камуфлажни „системи“в продължение на милиони години. Можете ли да видите хамелеона на тази снимка?
Опростено представяне на принципа на действие на активно-адаптивния камуфлаж чрез примера на MBT
Тази статия предоставя преглед на текущите и прогнозираните активни (адаптивни) камуфлажни системи. Въпреки че има многобройни приложения за тези системи или са в процес на разработка, изследователският фокус е върху системи, които биха могли да се използват в пехотни операции. В допълнение, целта на тези проучвания е да предостави информация, използвана за оценка на настоящата приложимост на активните камуфлажни системи и да помогне за проектирането на бъдещи.
Определения и основни понятия
Активният камуфлаж във видимия спектър се различава от конвенционалния камуфлаж по два начина. Първо, той замества появата на това, което се маскира, с външен вид, който не само прилича на околната среда (като традиционното маскиране), но точно представя това, което стои зад обекта, който се маскира.
Второ, активният камуфлаж също прави това в реално време. В идеалния случай активният камуфлаж може не само да имитира близки обекти, но и отдалечени, вероятно до хоризонта, създавайки перфектен визуален камуфлаж. Визуално активният камуфлаж може да се използва за деактивиране на способността на човешкото око и оптичните сензори да разпознават наличието на цели.
Има много примери за активни камуфлажни системи в художествената литература и разработчиците често избират име за технология въз основа на някои термини и имена от художествена литература. Те обикновено се отнасят до пълен активен камуфлаж (т.е. пълна невидимост) и не се отнасят до възможностите за частичен активен камуфлаж, активен камуфлаж за специални операции или някой от настоящите реални технологични постижения. Пълната невидимост обаче със сигурност ще бъде полезна за пехотни операции, като разузнавателни и инфилтрационни операции.
Камуфлажът се използва не само във визуалния спектър, но и в акустиката (например сонар), електромагнитния спектър (например радар), термичното поле (например инфрачервено излъчване) и за промяна на формата на обект. Камуфлажните технологии, включително някои активни камуфлажи, са разработени до известна степен за всички тези типове, особено за превозни средства (на сушата, морето и въздуха). Докато тази работа се отнася предимно до визуален камуфлаж за пехотинец, слязъл от коня, е полезно накратко да се споменат решения в други области, тъй като някои технологични идеи могат да бъдат пренесени във видимия спектър.
Визуален камуфлаж. Визуалният камуфлаж се състои от форма, повърхност, гланц, силует, сянка, позиция и движение. Активната камуфлажна система може да съдържа всички тези аспекти. Тази статия се фокусира върху визуално активен камуфлаж, така че тези системи са подробно описани в следващите подраздели.
Акустичен камуфлаж (например сонар). От 40-те години на миналия век много страни експериментират със звукопоглъщащи повърхности, за да намалят сонарните отражения на подводниците. Технологиите за заглушаване на оръжия са вид акустичен камуфлаж. В допълнение, активното премахване на шума е нова тенденция, която потенциално може да се превърне в акустичен камуфлаж. Слушалките с активно шумопотискане в момента са на разположение на потребителя. Разработват се така наречените системи за потискане на шума при близко поле, които се поставят в акустичното близко поле, за да минимизират активно преди всичко тоналния шум на витлата. Предвижда се, че могат да бъдат разработени обещаващи системи за акустични полета на далечни разстояния, за да се прикрият действията на пехотата.
Електромагнитен камуфлаж (например радар). Радарните камуфлажни мрежи комбинират специални покрития и технология от микрофибър, за да осигурят затихване на широколентов радар над 12 dB. Използването на опционални термични покрития разширява инфрачервената защита.
BMS-ULCAS (мултиспектрален ултра лек камуфлажен екран) от Saab Barracuda използва специален материал, който е прикрепен към основния материал. Материалът намалява откриването на широколентов радар, а също така стеснява видимите и инфрачервените честотни диапазони. Всеки екран е проектиран специално за оборудването, което защитава.
Камуфлажни униформи. В бъдеще активният камуфлаж може да определи обекта, който да се прикрие, за да го адаптира към формата на пространството. Тази технология е известна като SAD (Shape Approximation Device) и има потенциал да намали възможностите за откриване на форма. Един от най -убедителните примери за еднакъв камуфлаж е октоподът, който може да се слее със заобикалящата го среда не само чрез промяна на цвета, но и чрез промяна на формата и текстурата на кожата си.
Термичен камуфлаж (например инфрачервен). Разработва се материал, който намалява топлинния характер на голата кожа чрез разсейване на топлинното излъчване с помощта на сребърни кухи керамични топки (сеносфери), средно 45 микрона в диаметър, вградени в свързващо вещество, за да се създаде пигмент с ниски емисионни и дифузионни свойства. Микрограните действат като огледало, отразявайки околното пространство и помежду си и по този начин разпределят топлинното излъчване от кожата.
Мултиспектрален камуфлаж. Някои камуфлажни системи са мултиспектрални, което означава, че работят за повече от един тип камуфлаж. Например Saab Barracuda е разработил мултиспектрален камуфлажен продукт с висока мобилност на борда (HMBS), който защитава артилерийските части по време на стрелба и преразпределение. Възможно е намаляване на подписите с до 90%, а потискането на топлинната радиация позволява на двигателите и генераторите да работят на празен ход за бързо стартиране. Някои системи имат двустранно покритие, което позволява на войниците да носят двустранен камуфлаж за използване на различни видове терени.
В края на 2006 г. BAE Systems обявиха това, което беше описано като „скок напред в камуфлажната технология“, в центъра на напредналите технологии изобрети „нова форма на активен стелт … С натискането на един бутон обектите стават практически невидими, смесващи се на техния фон. Според BAE Systems, разработката „даде на компанията десетилетие лидерство в стелт технологиите и може да предефинира света на„ стелт “инженеринга.“Внедрени бяха нови концепции, базирани на нови материали, което позволява не само промяна на цветовете им, но и преместване на инфрачервения, микровълновия и радарния профил и обединяване на обекти с фона, което ги прави почти невидими. Тази технология е вградена в самата структура, а не се основава на използването на допълнителни материали, като боя или лепилен слой. Тази работа вече е довела до регистрация на 9 патента и все още може да предостави уникални решения на проблемите с управлението на подписа.
Активна камуфлажна система, базирана на RPT технология с проекция върху отразяващ дъждобран
Следващата граница: оптика за трансформация
Активните / адаптивните камуфлажни системи, описани в тази статия и базирани на прожекция на сцени, са доста сходни с научната фантастика сами по себе си (и наистина това беше основата на филма "Хищник"), но не са част от най -модерната технология, изследвана в търсенето „плащеница от невидимост“. Всъщност вече са очертани други решения, които ще бъдат много по -ефективни и практични в сравнение с активния камуфлаж. Те се основават на явление, известно като трансформационна оптика. Тоест, някои дължини на вълните, включително видимата светлина, могат да бъдат "огънати" и да текат около обект като вода, обгръщаща камък. В резултат на това обектите зад обекта стават видими, сякаш светлината преминава през празното пространство, докато самият обект изчезва от полезрението. На теория оптиката за трансформация може не само да маскира обекти, но и да ги прави видими там, където не са.
Схематично представяне на принципа на невидимостта чрез оптика за трансформация
Художествено представяне на структурата на метаматериал
За да се случи това обаче, обектът или зоната трябва да бъдат маскирани с прикриващ агент, който сам по себе си трябва да бъде неоткриваем за електромагнитни вълни. Тези инструменти, наречени метаматериали, използват клетъчни структури, за да създадат комбинация от характеристики на материала, които не са налични в природата. Тези структури могат да насочват електромагнитни вълни около обект и да предизвикат появата им от другата страна.
Общата идея зад такива метаматериали е отрицателното пречупване. Обратно, всички естествени материали имат положителен коефициент на пречупване, показател за това колко електромагнитни вълни са огънати при преминаването им от една среда в друга. Класическа илюстрация за това как работи пречупването: част от пръчка, потопена във вода, изглежда е огъната под повърхността на водата. Ако водата имаше отрицателно пречупване, потопената част на пръчката, напротив, би изпъкнала от повърхността на водата. Или, за друг пример, изглежда, че риба, плуваща под вода, се движи във въздуха над повърхността на водата.
Нов маскиращ метаматериал, разкрит от университета Дюк през януари 2009 г.
Изображение с електронен микроскоп на завършен 3D метаматериал. Резонаторите с разделени златни наноринга са подредени в четни редове
Схематичен и електронен микроскоп изглед на метаматериал (отгоре и отстрани), разработен от изследователи от Калифорнийския университет, Бъркли. Материалът се формира от паралелни нанопроводи, вградени в порест алуминиев оксид. Когато видимата светлина преминава през материал според явлението отрицателно пречупване, тя се отклонява в обратна посока.
За да има метаматериал отрицателен коефициент на пречупване, неговата структурна матрица трябва да бъде по -малка от дължината на използваната електромагнитна вълна. Освен това стойностите на диелектричната константа (способността да предава електрическо поле) и магнитната пропускливост (как тя реагира на магнитно поле) трябва да бъдат отрицателни. Математиката е неразделна част от проектирането на параметрите, необходими за създаване на метаматериали и демонстрира, че материалът гарантира невидимост. Не е изненадващо, че повече успехи са постигнати при работа с дължини на вълните в по -широкия микровълнов диапазон, който варира от 1 мм до 30 см. Хората виждат света в тесен диапазон от електромагнитно излъчване, известно като видима светлина, с дължини на вълните от 400 нанометра (виолетово и пурпурна светлина) до 700 нанометра (тъмночервена светлина).
След първата демонстрация на осъществимостта на метаматериала през 2006 г., когато беше построен първият прототип, екип от инженери от университета Дюк обяви през януари 2009 г. нов тип прикриващо устройство, много по -напреднало в прикриването на широк спектър от честоти. Последните постижения в тази област се дължат на разработването на нова група сложни алгоритми за създаване и производство на метаматериали. В последните лабораторни експерименти лъч от микровълни, насочен през маскиращо средство към „издутина“върху плоска огледална повърхност, се отразява от повърхността под същия ъгъл, сякаш няма издутина. В допълнение, покриващият агент предотвратява образуването на разпръснати лъчи, обикновено придружаващи такива трансформации. Феноменът, залегнал в основата на камуфлажа, прилича на мираж, видян в горещ ден преди пътя.
В паралелна и наистина конкурираща се програма учените от Калифорнийския университет обявиха в средата на 2008 г., че са въвели 3-D материали, които могат да променят нормалната посока на светлината във видимия и близкия инфрачервен спектър. Изследователите следват два различни подхода. В първия експеримент те подреждаха няколко редуващи се слоя сребро и непроводим магнезиев флуорид и нарязваха така наречените нанометрични "мрежести" шарки на слоеве, за да създадат обемно оптичен метаматериал. Отрицателното пречупване се измерва при дължини на вълните 1500 нанометра. Вторият метаматериал се състои от сребърни нанопроводи, опънати вътре в порест алуминий; той имаше отрицателно пречупване при дължини на вълните 660 нанометра в червената област на спектъра.
И двата материала постигнаха отрицателно пречупване, като количеството погълната или "загубена" енергия, тъй като светлината, преминаваща през тях, беше минимална.
Вляво е схематично изображение на първия 3-D "мрежест" метаматериал, разработен в Калифорнийския университет, който може да постигне отрицателен коефициент на пречупване във видимия спектър. Вдясно е изображението на готовата структура от сканиращ електронен микроскоп. Прекъсващите слоеве образуват малки очертания, които могат да отклонят светлината обратно
Също през януари 2012 г. изследователи от университета в Щутгарт обявиха, че са постигнали напредък в производството на многослоен метаматериал с разделен пръстен за оптични дължини на вълните. Тази процедура по слой, която може да се повтаря толкова пъти, колкото желаете, е в състояние да създаде добре подравнени триизмерни структури от метаматериали. Ключът към този успех беше метод на планиране (изравняване) за груба нанолитографска повърхност, комбиниран с издръжливи фидуциали, които издържат на процеси на сухо ецване по време на нано производство. Резултатът беше перфектно подравняване заедно с абсолютно плоски слоеве. Този метод е подходящ и за производство на форми със свободна форма във всеки слой. По този начин е възможно да се създадат по -сложни структури.
Разбира се, може да са необходими много повече изследвания, преди да могат да бъдат създадени метаматериали, които могат да работят във видимия спектър, в който човешкото око може да види, и след това практически материали, подходящи, например, за облекло. Но дори маскиращите материали, работещи само на няколко основни дължини на вълната, биха могли да предложат огромни ползи. Те могат да направят системите за нощно виждане неефективни и обектите невидими, например за лазерни лъчи, използвани за насочване на оръжия.
Работна концепция
Предложени са леки оптоелектронни системи, базирани на съвременни устройства за изобразяване и дисплеи, които правят избраните обекти почти прозрачни и по този начин практически невидими. Тези системи се наричат активни или адаптивни камуфлажни системи поради факта, че за разлика от традиционния камуфлаж, те генерират изображения, които могат да се променят в отговор на промените в сцените и условията на осветление.
Основната функция на адаптивната камуфлажна система е да проектира сцената (фона) зад обекта върху повърхността на обекта, най -близо до зрителя. С други думи, сцената (фонът) зад обекта се транспортира и показва в панели пред обекта.
Типична активна камуфлажна система най -вероятно ще бъде мрежа от гъвкави плоски дисплеи, подредени под формата на някакво одеяло, което ще покрие всички видими повърхности на обекта, които трябва да бъдат замаскирани. Всеки панел на дисплея ще съдържа активен пикселен сензор (APS) или евентуално друг усъвършенстван образ, който ще бъде насочен напред от панела и ще заема малка част от панела. "Покривалото" също ще съдържа телена рамка, която поддържа мрежа от омрежени оптични влакна, чрез които изображението от всеки APS ще се предава на допълнителен панел за дисплей от другата страна на маскирания обект.
Положението и ориентацията на всички устройства за изобразяване ще бъдат синхронизирани с позицията и ориентацията на един сензор, което ще бъде определено от основния фотоапарат (сензор). Ориентацията ще бъде определена от инструмент за изравняване, контролиран от основния сензор за изображение. Централен контролер, свързан към външен светломер, автоматично ще регулира нивата на яркост на всички панели на дисплея, за да съответства на условията на околната светлина. Долната страна на маскирания обект ще бъде изкуствено осветена, така че изображението на маскирания обект отгоре да показва земята, сякаш е естествено осветена; ако това не бъде постигнато, тогава очевидната хетерогенност и дискретност на сенките ще бъдат видими за наблюдателя, гледащ отгоре надолу.
Дисплейните панели могат да бъдат оразмерени и конфигурирани така, че общо тези панели да могат да се използват за маскиране на различни обекти, без да се налага да се променят самите обекти. Размерът и масата на типичните системи и подсистеми на адаптивния камуфлаж бяха оценени: обемът на типичен сензор за изображения ще бъде по -малък от 15 cm3, докато система, която прикрива обект с дължина 10 m, височина 3 m и ширина 5 m, ще има маса по -малка от 45 кг. Ако обектът, който трябва да се прикрие, е превозно средство, тогава адаптивната камуфлажна система може лесно да се активира от електрическата система на превозното средство, без да има отрицателно въздействие върху работата му.
Интересно решение за адаптивен камуфлаж на военна техника Adaptive от BAE Systems
