O reprezentare artistică a unui viitor vehicul de luptă protejat de un sistem de camuflaj activ
În prezent, operațiunile de recunoaștere și infiltrație ale infanteriei sunt efectuate cu un camuflaj convențional conceput pentru a camufla un soldat folosind două elemente principale: culoare și model (model de camuflaj). Cu toate acestea, operațiunile militare din mediul urban devin din ce în ce mai răspândite, în care culoarea și modelul optim se pot schimba continuu, chiar și în fiecare minut. De exemplu, un soldat care poartă o uniformă verde va ieși în evidență clar pe un perete alb. Un sistem activ de camuflaj ar putea actualiza în mod constant culoarea și modelul, ascunzând soldatul în mediul său actual
Natura folosește „sisteme” de camuflaj adaptive în mod activ de milioane de ani. Puteți vedea cameleonul din această fotografie?
Reprezentarea simplificată a principiului de funcționare al camuflajului activ-adaptiv folosind exemplul MBT
Acest articol oferă o prezentare generală a sistemelor de camuflaj active (adaptive) actuale și proiectate. Deși există numeroase aplicații pentru aceste sisteme sau sunt în curs de dezvoltare, cercetarea se concentrează asupra sistemelor care ar putea fi utilizate în operațiuni de infanterie. În plus, scopul acestor studii este de a furniza informații utilizate pentru a evalua aplicabilitatea actuală a sistemelor active de camuflaj și pentru a ajuta la proiectarea celor viitoare.
Definiții și concepte de bază
Camuflajul activ în spectrul vizibil diferă de camuflajul convențional în două moduri. În primul rând, înlocuiește aspectul a ceea ce este mascat cu un aspect care nu numai că seamănă cu mediul (cum ar fi mascarea tradițională), ci reprezintă cu precizie ceea ce se află în spatele obiectului mascat.
În al doilea rând, camuflajul activ face acest lucru și în timp real. În mod ideal, camuflajul activ ar putea imita nu numai obiectele din apropiere, ci și cele îndepărtate, posibil până la orizont, creând un camuflaj vizual perfect. Camuflajul activ vizual poate fi folosit pentru a dezactiva capacitatea ochiului uman și a senzorilor optici de a recunoaște prezența țintelor.
Există multe exemple de sisteme de camuflaj active în ficțiune, iar dezvoltatorii aleg adesea un nume pentru o tehnologie bazată pe unii termeni și nume din ficțiune. În general, acestea se referă la camuflaj activ complet (adică invizibilitate completă) și nu se referă la capacitățile camuflării active parțiale, camuflaj activ pentru operațiuni speciale sau la oricare dintre progresele tehnologice actuale din lumea reală. Cu toate acestea, invizibilitatea completă va fi cu siguranță utilă pentru operațiunile de infanterie, cum ar fi operațiunile de recunoaștere și infiltrare.
Camuflajul este utilizat nu numai în spectrul vizual, ci și în acustică (de exemplu, sonar), spectrul electromagnetic (de exemplu, radar), câmpul termic (de exemplu, radiații infraroșii) și pentru schimbarea formei unui obiect. Tehnologiile de camuflaj, inclusiv unele camuflaje active, au fost dezvoltate într-o anumită măsură pentru toate aceste tipuri, în special pentru vehicule (terestre, maritime și aeriene). În timp ce această lucrare se referă în primul rând la camuflajul vizual pentru un infanterist descălecat, este util să menționăm pe scurt soluții în alte domenii, deoarece unele idei tehnologice pot fi transmise spectrului vizibil.
Camuflaj vizual. Camuflajul vizual constă din formă, suprafață, luciu, siluetă, umbră, poziție și mișcare. Un sistem activ de camuflaj poate conține toate aceste aspecte. Acest articol se concentrează pe camuflajul activ vizual, astfel încât aceste sisteme sunt detaliate în următoarele subsecțiuni.
Camuflaj acustic (de exemplu, sonar). Din anii 1940, multe țări au experimentat cu suprafețe absorbante de sunet pentru a reduce reflexiile sonare ale submarinelor. Tehnologiile de blocare a armelor sunt un tip de camuflaj acustic. În plus, anularea activă a zgomotului este o nouă tendință care ar putea evolua în camuflaj acustic. Căștile active cu anulare a zgomotului sunt disponibile în prezent consumatorului. Se dezvoltă așa-numitele sisteme de suprimare activă a zgomotului în câmp aproape, care sunt plasate în câmpul acustic apropiat pentru a minimiza în mod activ, în primul rând, zgomotul tonal al elicelor. Se anticipează că ar putea fi dezvoltate sisteme promițătoare pentru câmpuri acustice cu rază lungă de acțiune pentru a masca acțiunile infanteriei.
Camuflaj electromagnetic (cum ar fi radar). Plasele de camuflaj radar combină acoperiri speciale și tehnologie din microfibre pentru a oferi atenuare radar în bandă largă mai mare de 12 dB. Utilizarea acoperirilor termice opționale extinde protecția în infraroșu.
BMS-ULCAS (Multispectral Ultra Light Camouflage Screen) de la Saab Barracuda folosește un material special care este atașat la materialul de bază. Materialul reduce detectarea radarului de bandă largă și, de asemenea, restrânge intervalele de frecvență vizibile și infraroșii. Fiecare ecran este conceput special pentru echipamentele pe care le protejează.
Uniforme de camuflaj. În viitor, camuflajul activ poate determina obiectul care trebuie acoperit pentru a-l adapta la forma spațiului. Această tehnologie este cunoscută sub numele de SAD (Shape Approximation Device) și are potențialul de a reduce capacitatea de detectare a formei. Unul dintre cele mai convingătoare exemple de camuflaj uniform este caracatița, care se poate amesteca cu împrejurimile sale nu numai prin schimbarea culorii, ci și prin schimbarea formei și texturii pielii sale.
Camuflaj termic (de exemplu, în infraroșu). Se dezvoltă un material care atenuează semnătura de căldură a pielii goale prin difuzarea emisiilor de căldură folosind bile ceramice goale argintate (senosfere), cu o diametru mediu de 45 microni, încorporate într-un liant pentru a crea un pigment cu proprietăți de emisie și difuzie reduse. Microbele funcționează ca o oglindă, reflectând spațiul înconjurător și reciproc, distribuind astfel radiația termică din piele.
Camuflaj multispectral. Unele sisteme de camuflaj sunt multispectrale, ceea ce înseamnă că funcționează pentru mai multe tipuri de camuflaj. De exemplu, Saab Barracuda a dezvoltat un produs de camuflaj multispectral cu sistem de mare mobilitate la bord (HMBS) care protejează piesele de artilerie în timpul tragerii și redistribuirii. Sunt posibile reduceri de semnătură de până la 90%, iar suprimarea radiației termice permite motoarelor și generatoarelor să meargă la ralanti pentru pornirea rapidă. Unele sisteme au acoperire pe două fețe, ceea ce permite soldaților să poarte camuflaj pe două fețe pentru utilizare pe diferite tipuri de teren.
La sfârșitul anului 2006, BAE Systems a anunțat ceea ce a fost descris ca „un salt înainte în tehnologia de camuflaj”, în centrul său de tehnologie avansată a inventat „o nouă formă de stealth activ … Prin simpla apăsare a unui buton, obiectele devin practic invizibile, amestecându-se în fundalul lor. Potrivit BAE Systems, dezvoltarea „a dat companiei un deceniu de leadership în tehnologia stealth și ar putea redefini lumea ingineriei„ stealth”. Au fost implementate noi concepte bazate pe materiale noi, ceea ce permite nu numai schimbarea culorilor, ci și schimbarea profilului în infraroșu, cuptor cu microunde și radar și îmbinarea obiectelor cu fundalul, ceea ce le face aproape invizibile. Această tehnologie este încorporată în structura însăși, mai degrabă decât pe baza utilizării de materiale suplimentare, cum ar fi vopseaua sau un strat adeziv. Această lucrare a condus deja la înregistrarea a 9 brevete și poate oferi în continuare soluții unice la problemele de gestionare a semnăturilor.
Sistem de camuflaj activ bazat pe tehnologia RPT cu proiecție pe un impermeabil reflectorizant
Următoarea frontieră: optica transformării
Sistemele de camuflaj activ / adaptativ descrise în acest articol și bazate pe proiecția scenei sunt destul de similare cu science fiction-ul în sine (și într-adevăr aceasta a fost baza filmului „Predator”), dar nu fac parte din cea mai avansată tehnologie cercetată în căutarea „giulgiu de invizibilitate”. Într-adevăr, sunt prezentate deja alte soluții, care vor fi mult mai eficiente și practice în comparație cu camuflajul activ. Acestea se bazează pe un fenomen cunoscut sub numele de optică de transformare. Adică, unele lungimi de undă, inclusiv lumina vizibilă, pot fi „îndoite” și curg în jurul unui obiect precum apa care învelește o piatră. Ca urmare, obiectele din spatele obiectului devin vizibile, ca și cum lumina ar trece prin spațiul gol, în timp ce obiectul însuși dispare din vedere. În teorie, optica de transformare nu numai că poate masca obiecte, ci și le poate face vizibile acolo unde nu sunt.
Reprezentarea schematică a principiului invizibilității prin intermediul opticii de transformare
Reprezentarea artistică a structurii unui metamaterial
Cu toate acestea, pentru ca acest lucru să se întâmple, obiectul sau zona trebuie să fie mascate folosind un agent de acoperire, care trebuie să fie el însuși nedetectabil la undele electromagnetice. Aceste instrumente, numite metamateriale, utilizează structuri celulare pentru a crea o combinație de caracteristici materiale care nu sunt disponibile în natură. Aceste structuri pot direcționa unde electromagnetice în jurul unui obiect și le pot face să apară pe cealaltă parte.
Ideea generală din spatele acestor metamateriale este refracția negativă. În schimb, toate materialele naturale au un indice de refracție pozitiv, un indicator al numărului de unde electromagnetice îndoite pe măsură ce trec de la un mediu la altul. O ilustrare clasică a modului în care funcționează refracția: o parte a unui băț scufundat în apă pare să fie îndoită sub suprafața apei. Dacă apa ar avea refracție negativă, partea scufundată a bățului, dimpotrivă, ar ieși din suprafața apei. Sau, pentru un alt exemplu, un pește care înoată sub apă pare să se miște în aer deasupra suprafeței apei.
Un nou metamaterial de mascare a fost dezvăluit de Universitatea Duke în ianuarie 2009
O imagine cu microscop electronic a unui metamaterial 3D finit. Rezonatoarele de nanoruri de aur divizate sunt dispuse în rânduri uniforme
Vedere schematică și la microscop electronic a unui metamaterial (superior și lateral) dezvoltat de cercetătorii de la Universitatea din California, Berkeley. Materialul este format din nanofire paralele încorporate în interiorul aluminei poroase. Când lumina vizibilă trece printr-un material conform fenomenului de refracție negativă, aceasta este deviată în direcția opusă.
Pentru ca un metamaterial să aibă un indice de refracție negativ, matricea sa structurală trebuie să fie mai mică decât lungimea undei electromagnetice utilizate. În plus, valorile constantei dielectrice (capacitatea de a transmite un câmp electric) și permeabilității magnetice (cum reacționează la un câmp magnetic) trebuie să fie negative. Matematica este esențială pentru proiectarea parametrilor necesari pentru a crea metamateriale și pentru a demonstra că materialul garantează invizibilitatea. În mod surprinzător, s-a obținut un succes mai mare atunci când se lucrează cu lungimi de undă într-o gamă mai largă de microunde, care variază de la 1 mm la 30 cm. și lumină magenta) până la 700 nanometri (lumină roșie închisă).
În urma primei demonstrații a fezabilității metamaterialului în 2006, când a fost construit primul prototip, o echipă de ingineri de la Universitatea Duke a anunțat în ianuarie 2009 un nou tip de dispozitiv de acoperire, mult mai avansat în acoperirea unui spectru larg de frecvențe. Ultimele progrese în acest domeniu se datorează dezvoltării unui nou grup de algoritmi complexi pentru crearea și producerea de metamateriale. În experimentele recente de laborator, un fascicul de microunde direcționat printr-un mijloc de mascare către o „umflătură” pe o suprafață plană a oglinzii a fost reflectat de la suprafață în același unghi ca și când nu ar exista o umflătură. În plus, agentul de acoperire a împiedicat formarea grinzilor împrăștiate, însoțind de obicei astfel de transformări. Fenomenul care stă la baza camuflajului seamănă cu un miraj văzut într-o zi fierbinte din fața drumului.
Într-un program paralel și cu adevărat concurent, oamenii de știință ai Universității din California au anunțat la mijlocul anului 2008 că au inițiat materiale 3-D care ar putea schimba direcția normală a luminii în spectrele vizibile și în infraroșu apropiat. Cercetătorii au urmat două abordări distincte. În primul experiment, au stivuit mai multe straturi alternative de argint și fluorură de magneziu neconductivă și au tăiat așa-numitele modele nanometrice de „plasă” în straturi pentru a crea un metamaterial optic în vrac. Refracția negativă a fost măsurată la lungimi de undă de 1500 nanometri. Al doilea metamaterial a constat din nanofire de argint întinse în interiorul aluminei poroase; a avut refracție negativă la lungimi de undă de 660 nanometri în regiunea roșie a spectrului.
Ambele materiale au obținut refracție negativă, cantitatea de energie absorbită sau „pierdută” pe măsură ce lumina a trecut prin ele a fost minimă.
Stânga este o reprezentare schematică a primului metamaterial 3-D "mesh" dezvoltat la Universitatea din California care poate atinge un indice de refracție negativ în spectrul vizibil. În dreapta este imaginea structurii terminate dintr-un microscop electronic cu scanare. Straturile intermitente formează contururi mici care pot devia lumina înapoi
Tot în ianuarie 2012, cercetătorii de la Universitatea din Stuttgart au anunțat că au înregistrat progrese în fabricarea unui metamaterial multi-strat, cu inel divizat, pentru lungimi de undă optice. Această procedură strat cu strat, care poate fi repetată de câte ori se dorește, este capabilă să creeze structuri tridimensionale bine aliniate din metamateriale. Cheia acestui succes a fost o metodă de planare (nivelare) pentru o suprafață nanolitografică dură, combinată cu elemente fiduciale durabile care rezistă proceselor de gravare uscată în timpul nanofabricării. Rezultatul a fost alinierea perfectă împreună cu straturi absolut plane. Această metodă este potrivită și pentru producerea de forme libere în fiecare strat. Astfel, este posibil să se creeze structuri mai complexe.
Cu siguranță, pot fi necesare mult mai multe cercetări înainte de a putea fi create metamateriale care pot funcționa în spectrul vizibil, în care ochiul uman poate vedea, și apoi materiale practice adecvate, de exemplu, pentru îmbrăcăminte. Dar chiar și materialele de acoperire care funcționează la doar câteva lungimi de undă fundamentale ar putea oferi beneficii extraordinare. Ele pot face sistemele de viziune nocturnă ineficiente și obiectele invizibile, de exemplu, pentru razele laser utilizate pentru a ghida armele.
Concept de lucru
Sistemele optoelectronice ușoare au fost propuse pe baza dispozitivelor și afișajelor moderne de imagistică care fac obiectele selectate aproape transparente și, prin urmare, practic invizibile. Aceste sisteme se numesc sisteme de camuflaj active sau adaptive datorită faptului că, spre deosebire de camuflajul tradițional, generează imagini care se pot schimba ca răspuns la schimbările de scene și condițiile de iluminare.
Funcția principală a sistemului de camuflaj adaptiv este de a proiecta scena (fundalul) din spatele obiectului pe suprafața obiectului cel mai apropiat de privitor. Cu alte cuvinte, scena (fundalul) din spatele subiectului este transportată și afișată în panouri în fața subiectului.
Un sistem tipic de camuflaj activ va fi cel mai probabil o rețea de afișaje flexibile pe ecran plat dispuse sub forma unui fel de pătură care va acoperi toate suprafețele vizibile ale obiectului care trebuie camuflate. Fiecare panou de afișare va conține un senzor de pixeli activ (APS) sau, eventual, un alt aparat de fotografiat avansat, care va fi îndreptat în fața panoului și va ocupa o porțiune mică din zona panoului. „Capacul” va conține, de asemenea, un cadru de sârmă care susține o rețea de fibre optice reticulate prin care imaginea de la fiecare APS va fi transmisă către un panou de afișare suplimentar de pe partea opusă a obiectului mascat.
Poziția și orientarea tuturor dispozitivelor de imagistică vor fi sincronizate cu poziția și orientarea unui senzor, care va fi determinat de imagerul principal (senzorul). Orientarea va fi determinată de un instrument de nivelare controlat de senzorul principal de imagine. Un controler central conectat la un contor de lumină extern va regla automat nivelurile de luminozitate ale tuturor panourilor de afișare pentru a se potrivi condițiilor de lumină ambientală. Partea inferioară a obiectului mascat va fi iluminată artificial, astfel încât imaginea obiectului mascat de sus să arate solul ca și cum ar fi luminat în mod natural; dacă acest lucru nu se realizează, atunci eterogenitatea evidentă și discreția umbrelor vor fi vizibile pentru observatorul care privește de sus în jos.
Panourile de afișare pot fi dimensionate și configurate astfel încât un total din aceste panouri să poată fi utilizate pentru a masca diverse obiecte fără a fi nevoie să le modificați. S-au estimat dimensiunea și masa sistemelor și subsistemelor tipice de camuflaj adaptiv: volumul unui senzor tipic de imagine va fi mai mic de 15 cm3, în timp ce un sistem care acoperă un obiect lung de 10 m, înalt de 3 m și lățime de 5 m va avea un masă mai mică de 45 kg. Dacă obiectul care trebuie acoperit este un vehicul, atunci sistemul de camuflaj adaptiv poate fi ușor activat de sistemul electric al vehiculului, fără niciun impact negativ asupra funcționării acestuia.
O soluție interesantă pentru camuflajul adaptiv al echipamentelor militare Adaptive de la BAE Systems
