Umjetnički prikaz budućeg borbenog vozila zaštićenog aktivnim kamuflažnim sustavom
Trenutačno se operacije pješačkog izviđanja i infiltracije izvode konvencionalnom kamuflažom dizajniranom za kamuflažu vojnika pomoću dva glavna elementa: boje i uzorka (kamuflažni uzorak). Međutim, sve su prisutnije vojne operacije u urbanim sredinama u kojima se optimalna boja i uzorak mogu kontinuirano mijenjati, čak i svake minute. Na primjer, vojnik u zelenoj uniformi jasno će se istaknuti uz bijeli zid. Aktivni kamuflažni sustav mogao bi stalno ažurirati boju i uzorak, skrivajući vojnika u svom trenutnom okruženju
Priroda milijune godina koristi aktivno prilagodljive maskirne "sustave". Vidite li kameleona na ovoj fotografiji?
Pojednostavljeni prikaz načela djelovanja aktivno-adaptivne kamuflaže na primjeru MBT-a
Ovaj članak daje pregled trenutnih i predviđenih aktivnih (adaptivnih) maskirnih sustava. Iako postoje brojne aplikacije za ove sustave ili su u razvoju, istraživački fokus je na sustavima koji bi se mogli koristiti u pješačkim operacijama. Osim toga, svrha ovih studija je pružiti informacije korištene za procjenu trenutne primjenjivosti aktivnih maskirnih sustava i pomoći u projektiranju budućih.
Definicije i osnovni pojmovi
Aktivna kamuflaža u vidljivom spektru razlikuje se od konvencionalne kamuflaže na dva načina. Prvo, zamjenjuje izgled onoga što se maskira izgledom koji ne samo da nalikuje okolišu (poput tradicionalnog maskiranja), već točno predstavlja ono što se nalazi iza objekta koji se maskira.
Drugo, aktivna kamuflaža također to radi u stvarnom vremenu. U idealnom slučaju, aktivna kamuflaža nije mogla oponašati samo obližnje objekte, već i udaljene, moguće čak do horizonta, stvarajući savršenu vizualnu kamuflažu. Vizualno aktivna kamuflaža može se koristiti za onemogućavanje sposobnosti ljudskog oka i optičkih senzora da prepoznaju prisutnost ciljeva.
Mnogo je primjera aktivnih maskirnih sustava u fikciji, a programeri često biraju naziv tehnologije temeljen na nekim pojmovima i nazivima iz fikcije. Općenito se odnose na potpunu aktivnu kamuflažu (tj. Potpunu nevidljivost) i ne odnose se na mogućnosti djelomične aktivne kamuflaže, aktivne kamuflaže za posebne operacije ili na bilo koji trenutni tehnološki napredak u stvarnom svijetu. Međutim, potpuna nevidljivost zasigurno će biti korisna za pješačke operacije, poput operacija izviđanja i infiltracije.
Kamuflaža se koristi ne samo u vizualnom spektru, već i u akustici (na primjer, sonar), elektromagnetskom spektru (na primjer, radar), toplinskom polju (na primjer, infracrveno zračenje) i za promjenu oblika objekta. Tehnologije kamuflaže, uključujući neke aktivne kamuflaže, razvijene su u određenoj mjeri za sve ove vrste, osobito za vozila (kopnena, morska i zračna). Iako se ovaj rad prvenstveno odnosi na vizualnu kamuflažu za pješaka koji je sišao s konja, korisno je ukratko spomenuti rješenja u drugim područjima jer se neke tehnološke ideje mogu prenijeti na vidljivi spektar.
Vizualna kamuflaža. Vizualna kamuflaža sastoji se od oblika, površine, sjaja, siluete, sjene, položaja i pokreta. Aktivni kamuflažni sustav može sadržavati sve ove aspekte. Ovaj se članak fokusira na vizualno aktivnu kamuflažu, pa su ti sustavi detaljno opisani u sljedećim pododsjecima.
Akustična kamuflaža (npr. Sonar). Od 1940-ih godina mnoge su zemlje eksperimentirale s površinama koje apsorbiraju zvuk kako bi smanjile refleksije sonara podmornica. Tehnologije ometanja pištolja vrsta su akustične kamuflaže. Osim toga, aktivno uklanjanje buke novi je trend koji bi se potencijalno mogao razviti u akustičnu kamuflažu. Slušalice s aktivnim uklanjanjem buke trenutno su dostupne potrošaču. Razvijaju se takozvani sustavi aktivnog potiskivanja šuma u blizini polja, koji su postavljeni u akustičko blisko polje kako bi aktivno smanjili, prvenstveno, tonsku buku propelera. Predviđa se da bi se mogli razviti obećavajući sustavi za akustična polja dugog dometa kako bi se prikrile akcije pješaštva.
Elektromagnetska kamuflaža (poput radara). Radarske maskirne mreže kombiniraju posebne premaze i tehnologiju mikrovlakana kako bi pružile širokopojasno prigušivanje radara veće od 12 dB. Korištenje opcionalnih toplinskih premaza produžava infracrvenu zaštitu.
BMS-ULCAS (Multispektralni ultra lagani kamuflažni zaslon) tvrtke Saab Barracuda koristi poseban materijal koji je pričvršćen na osnovni materijal. Materijal smanjuje detekciju širokopojasnog radara, a također sužava vidljivi i infracrveni raspon frekvencija. Svaki zaslon dizajniran je posebno za opremu koju štiti.
Kamuflažne uniforme. U budućnosti aktivna kamuflaža može odrediti objekt koji će se prikriti kako bi ga prilagodila obliku prostora. Ova tehnologija je poznata kao SAD (Shape Approximation Device) i ima potencijal smanjiti sposobnost otkrivanja oblika. Jedan od najupečatljivijih primjera ujednačene kamuflaže je hobotnica koja se može uklopiti u okolinu ne samo promjenom boje, već i promjenom oblika i teksture kože.
Toplinska kamuflaža (npr. Infracrvena). Razvija se materijal koji umanjuje toplinski potpis gole kože raspršivanjem emisije topline pomoću posrebrenih šupljih keramičkih kuglica (senosfera), prosječno promjera 45 mikrona, ugrađenih u vezivo za stvaranje pigmenta sa niskim emisijskim i difuzijskim svojstvima. Mikro kuglice djeluju poput zrcala, reflektirajući okolni prostor i međusobno, te tako distribuiraju toplinsko zračenje iz kože.
Multispektralna kamuflaža. Neki su kamuflažni sustavi multispektralni, što znači da rade za više od jedne vrste kamuflaže. Na primjer, Saab Barracuda razvio je multispektralni maskirni proizvod visokog mobilnog sustava na vozilu (HMBS) koji štiti artiljerijske artiljerije tijekom gađanja i ponovnog raspoređivanja. Moguće je smanjenje potpisa do 90%, a suzbijanje toplinskog zračenja omogućuje motorima i generatorima da rade u praznom hodu radi brzog pokretanja. Neki sustavi imaju dvostrani premaz, što omogućuje vojnicima da nose dvostranu kamuflažu za upotrebu na različitim vrstama terena.
Krajem 2006. godine BAE Systems najavio je ono što je opisano kao "skok naprijed u tehnologiji kamuflaže", u svom središtu napredne tehnologije izumio je "novi oblik aktivnog prikrivanja … Pritiskom na gumb, objekti postaju praktički nevidljivi, miješaju se" u njihovu pozadinu. " Prema BAE Systemsu, razvoj je "tvrtki dao desetljeće vodstva u stealth tehnologiji i mogao bi redefinirati svijet" stealth "inženjeringa." Novi koncepti implementirani su na temelju novih materijala, što omogućuje ne samo promjenu njihovih boja, već i pomicanje infracrvenog, mikrovalnog i radarskog profila te spajanje objekata s pozadinom, što ih čini gotovo nevidljivima. Ova tehnologija je ugrađena u samu strukturu, a ne temelji se na upotrebi dodatnih materijala, poput boje ili ljepljivog sloja. Ovaj je rad već doveo do registracije 9 patenata i još uvijek može pružiti jedinstvena rješenja za probleme upravljanja potpisima.
Aktivni kamuflažni sustav temeljen na RPT tehnologiji s projekcijom na reflektirajući ogrtač
Sljedeća granica: optika transformacije
Aktivni / adaptivni maskirni sustavi opisani u ovom članku i temeljeni na projekciji scene prilično su slični znanstvenoj fantastici (i to je doista bila osnova filma "Predator"), ali nisu dio najnaprednije tehnologije koja se istražuje u pretraživanje "pokrov nevidljivosti". Doista, već su navedena druga rješenja koja će biti mnogo učinkovitija i praktičnija u usporedbi s aktivnom kamuflažom. Temelje se na fenomenu poznatom kao transformacijska optika. To jest, neke valne duljine, uključujući vidljivu svjetlost, mogu se "saviti" i teći oko objekta poput vode koja obavija kamen. Kao rezultat toga, objekti iza objekta postaju vidljivi, kao da je svjetlost prošla kroz prazan prostor, dok sam objekt nestaje iz vidokruga. U teoriji, transformacijska optika ne može samo maskirati objekte, već ih učiniti vidljivim i tamo gdje ih nema.
Shematski prikaz načela nevidljivosti pomoću transformacijske optike
Umjetnički prikaz strukture metamaterijala
Međutim, da bi se to dogodilo, objekt ili područje moraju biti maskirani sredstvom za prikrivanje, koje samo po sebi ne može biti otkriveno elektromagnetskim valovima. Ovi alati, nazvani metamaterijali, koriste stanične strukture za stvaranje kombinacije karakteristika materijala koje u prirodi nisu dostupne. Ove strukture mogu usmjeriti elektromagnetske valove oko objekta i uzrokovati njihovo pojavljivanje s druge strane.
Opća ideja takvih metamaterijala je negativna refrakcija. Nasuprot tome, svi prirodni materijali imaju pozitivan indeks loma, pokazatelj koliko su elektromagnetski valovi savijeni pri prijelazu iz jednog medija u drugi. Klasična ilustracija načina funkcioniranja loma: čini se da je dio štapa uronjenog u vodu savijen ispod površine vode. Kad bi voda imala negativan lom, potopljeni dio štapa bi, naprotiv, virio s površine vode. Ili bi se, na primjer, činilo da se riba koja pliva pod vodom kreće u zraku iznad površine vode.
Novi maskirajući metamaterijal koji je Sveučilište Duke otkrilo u siječnju 2009
Slika elektronskog mikroskopa gotovog 3D metamaterijala. Rezonatori s podijeljenim zlatnim nanorima raspoređeni su u jednakim redovima
Shematski i elektronski mikroskop prikaz metamaterijala (odozgo i sa strane) koji su razvili istraživači sa Sveučilišta California u Berkeleyu. Materijal je napravljen od paralelnih nanožica ugrađenih u poroznu glinicu. Kad vidljiva svjetlost prolazi kroz materijal prema fenomenu negativnog loma, odbija se u suprotnom smjeru.
Da bi metamaterijal imao negativan indeks loma, njegova strukturna matrica mora biti manja od duljine korištenog elektromagnetskog vala. Osim toga, vrijednosti dielektrične konstante (sposobnost prijenosa električnog polja) i magnetske propusnosti (kako reagira na magnetsko polje) moraju biti negativne. Matematika je sastavni dio oblikovanja parametara potrebnih za stvaranje metamaterijala i pokazuje da materijal jamči nevidljivost. Nije iznenađujuće da je veći uspjeh postignut pri radu s valnim duljinama u širem rasponu mikrovalnih pećnica, koji se kreće od 1 mm do 30 cm. Ljudi vide svijet u uskom rasponu elektromagnetskog zračenja, poznatog kao vidljivo svjetlo, s valnim duljinama od 400 nanometara (ljubičasta i magenta svjetlo) do 700 nanometara (tamnocrveno svjetlo).
Nakon prve demonstracije izvedivosti metamaterijala 2006. godine, kada je izgrađen prvi prototip, tim inženjera sa Sveučilišta Duke najavio je u siječnju 2009. novu vrstu uređaja za prikrivanje, mnogo naprednije u prikrivanju širokog spektra frekvencija. Najnoviji napredak u ovom području posljedica je razvoja nove skupine složenih algoritama za stvaranje i proizvodnju metamaterijala. U nedavnim laboratorijskim pokusima snop mikrovalova usmjeren kroz sredstvo za maskiranje do "ispupčenja" na ravnoj površini zrcala odbio se od površine pod istim kutom kao da nema ispupčenja. Osim toga, sredstvo za prikrivanje spriječilo je stvaranje raspršenih zraka, obično prateći takve transformacije. Fenomen koji leži u pozadini kamuflaže nalikuje fatamorgani viđenoj po vrućem danu ispred ceste.
U paralelnom i uistinu konkurentnom programu, znanstvenici sa Sveučilišta u Kaliforniji objavili su sredinom 2008. godine da su osnovali trodimenzionalne materijale koji bi mogli promijeniti normalni smjer svjetlosti u vidljivom i bliskom infracrvenom spektru. Istraživači su slijedili dva različita pristupa. U prvom eksperimentu složili su nekoliko naizmjeničnih slojeva srebra i neprovodljivog magnezijevog fluorida i izrezali takozvane nanometrijske "mrežaste" uzorke u slojeve kako bi stvorili masovni optički metamaterijal. Negativna refrakcija mjerena je na valnim duljinama od 1500 nanometara. Drugi metamaterijal sastojao se od srebrnih nanožica rastegnutih unutar poroznog glinice; imala je negativan lom na valnim duljinama od 660 nanometara u crvenom području spektra.
Oba materijala postigla su negativan lom, s količinom apsorbirane ili "izgubljene" energije dok je svjetlost prolazila kroz njih bila minimalna.
Lijevo je shematski prikaz prvog 3-D "mrežastog" metamaterijala razvijenog na Kalifornijskom sveučilištu koji može postići negativan indeks loma u vidljivom spektru. S desne strane je slika gotove strukture iz skenirajućeg elektronskog mikroskopa. Isprekidani slojevi tvore male obrise koji mogu odbiti svjetlost natrag
Također u siječnju 2012., istraživači sa Sveučilišta u Stuttgartu objavili su da su postigli napredak u proizvodnji višeslojnog metamaterijala s podijeljenim prstenom za optičke valne duljine. Ovaj postupak sloj po sloj, koji se može ponavljati koliko god puta želite, sposoban je stvoriti dobro poravnate trodimenzionalne strukture od metamaterijala. Ključ ovog uspjeha bila je metoda planarizacije (izravnavanja) za grubu nanolitografsku površinu u kombinaciji s izdržljivim fiducijalima koji podnose suho jetkanje tijekom nano-proizvodnje. Rezultat je bilo savršeno poravnanje zajedno s apsolutno ravnim slojevima. Ova metoda je također prikladna za izradu oblika slobodnog oblika u svakom sloju. Tako je moguće stvoriti složenije strukture.
Svakako će biti potrebno mnogo više istraživanja prije nego što se mogu stvoriti metamaterijali koji mogu djelovati u vidljivom spektru, u kojem ljudsko oko može vidjeti, a zatim i praktični materijali prikladni, na primjer, za odjeću. No, čak i materijali za prikrivanje koji rade na samo nekoliko osnovnih valnih duljina mogli bi ponuditi ogromne prednosti. Mogu učiniti sustave noćnog vida neučinkovitima, a objekte nevidljivima, na primjer, laserskim zrakama koje se koriste za navođenje oružja.
Koncept rada
Lagani optoelektronički sustavi predloženi su na temelju suvremenih uređaja za snimanje i zaslona koji odabrane objekte čine gotovo prozirnima i stoga gotovo nevidljivima. Ti se sustavi nazivaju aktivni ili adaptivni kamuflažni sustavi zbog činjenice da, za razliku od tradicionalne kamuflaže, stvaraju slike koje se mogu promijeniti kao odgovor na promjene u scenama i svjetlosnim uvjetima.
Glavna funkcija adaptivnog kamuflažnog sustava je projicirati scenu (pozadinu) iza objekta na površinu objekta koji je najbliži gledatelju. Drugim riječima, prizor (pozadina) iza subjekta transportira se i prikazuje u panelima ispred subjekta.
Tipičan aktivni kamuflažni sustav najvjerojatnije će biti mreža fleksibilnih plosnatih zaslona postavljenih u obliku neke vrste deke koja će pokriti sve vidljive površine objekta koje je potrebno zakamuflirati. Svaka ploča zaslona sadržavat će aktivni senzor piksela (APS) ili eventualno neki drugi napredni snimač koji će biti usmjeren prema ploči i zauzimat će mali dio površine ploče. "Pokrivač" će također sadržavati žičani okvir koji podržava mrežu umreženih optičkih vlakana putem kojih će se slika sa svakog APS-a prenositi na dodatnu ploču zaslona na suprotnoj strani maskiranog objekta.
Položaj i orijentacija svih uređaja za snimanje bit će sinkronizirani s položajem i orijentacijom jednog senzora, što će odrediti glavni snimač (senzor). Orijentacija će se odrediti pomoću alata za niveliranje kojim upravlja glavni senzor slike. Središnji upravljač spojen na vanjski mjerač svjetla automatski će prilagoditi razine svjetline svih ploča zaslona u skladu s uvjetima ambijentalnog osvjetljenja. Donja strana maskiranog objekta bit će umjetno osvijetljena tako da slika maskiranog objekta odozgo prikazuje tlo kao da je prirodno osvijetljeno; ako se to ne postigne, tada će očita heterogenost i diskretnost sjena biti vidljive promatraču koji gleda odozgo prema dolje.
Ploče zaslona mogu biti veličine i konfigurirane tako da se ukupno te ploče mogu koristiti za maskiranje različitih objekata bez potrebe za mijenjanjem samih objekata. Procijenjena je veličina i masa tipičnih sustava i podsustava prilagodljive kamuflaže: volumen tipičnog slikovnog senzora bit će manji od 15 cm3, dok će sustav koji ogrće objekt duljine 10 m, visine 3 m i širine 5 m imati mase manje od 45 kg. Ako je objekt koji se prikriva vozilo, tada se prilagodljivi kamuflažni sustav može lako aktivirati električnim sustavom vozila bez ikakvog negativnog utjecaja na njegov rad.
Zanimljivo rješenje za adaptivnu kamuflažu vojne opreme Adaptive iz BAE Systems
