En konstnärlig representation av ett framtida stridsfordon som skyddas av ett aktivt kamouflagesystem
För närvarande utförs infanteri spaning och infiltration operationer med en konventionell kamouflage utformad för att kamouflera en soldat med två huvudelement: färg och mönster (kamouflagemönster). Men militära operationer i stadsmiljöer blir allt vanligare, där den optimala färgen och mönstret kan förändras kontinuerligt, även varje minut. Till exempel kommer en soldat som bär en grön uniform att sticka ut tydligt mot en vit vägg. Ett aktivt kamouflagesystem kan ständigt uppdatera färg och mönster och dölja soldaten i sin nuvarande miljö
Naturen har använt aktivt adaptiva kamouflage "system" i miljontals år. Kan du se kameleonen på det här fotot?
Förenklad representation av principen för drift av aktiv-adaptiv kamouflage med exemplet MBT
Denna artikel ger en översikt över nuvarande och projicerade aktiva (adaptiva) kamouflagesystem. Även om det finns många applikationer för dessa system, eller är under utveckling, fokuserar forskningen på system som kan användas i infanterioperationer. Dessutom är syftet med dessa studier att tillhandahålla information som används för att bedöma den aktuella tillämpligheten av aktiva kamouflagesystem och att hjälpa till att designa framtida.
Definitioner och grundläggande begrepp
Aktiv kamouflage i det synliga spektrumet skiljer sig från konventionell kamouflage på två sätt. För det första ersätter det utseendet på det som maskeras med ett utseende som inte bara liknar miljön (som traditionell maskering), utan exakt representerar det som ligger bakom objektet som maskeras.
För det andra gör aktiv kamouflage detta också i realtid. Helst skulle aktiv kamouflage inte bara kunna efterlikna närliggande föremål utan också avlägsna objekt, möjligen så långt som till horisonten, vilket skapar en perfekt visuell kamouflage. Visuell aktiv kamouflage kan användas för att inaktivera det mänskliga ögats förmåga och optiska sensorer att känna igen förekomsten av mål.
Det finns många exempel på aktiva kamouflagesystem inom skönlitteratur, och utvecklare väljer ofta ett namn för en teknik baserad på vissa termer och namn från skönlitteratur. De hänvisar i allmänhet till full aktiv kamouflage (dvs. fullständig osynlighet) och avser inte möjligheterna med delvis aktiv kamouflage, aktiv kamouflage för specialoperationer eller någon av de nuvarande verkliga tekniska framstegen. Fullständig osynlighet kommer dock säkert att vara användbar för infanterioperationer, såsom spaning och infiltrationsoperationer.
Kamouflage används inte bara i det visuella spektrumet, utan också i akustik (till exempel ekolod), det elektromagnetiska spektrumet (till exempel radar), termiskt fält (till exempel infraröd strålning) och för att ändra formen på ett objekt. Kamouflagetekniker, inklusive några aktiva kamouflage, har utvecklats i viss utsträckning för alla dessa typer, särskilt för fordon (land, hav och luft). Även om detta arbete främst avser visuell kamouflage för en avstängd infanterist, är det användbart att kort nämna lösningar på andra områden, eftersom vissa tekniska idéer kan överföras till det synliga spektrumet.
Visuell kamouflage. Visuell kamouflage består av form, yta, glans, siluett, skugga, position och rörelse. Ett aktivt kamouflagesystem kan innehålla alla dessa aspekter. Denna artikel fokuserar på visuell aktiv kamouflage, så dessa system är detaljerade i följande underavsnitt.
Akustisk kamouflage (t.ex. ekolod). Sedan 1940-talet har många länder experimenterat med ljudabsorberande ytor för att minska ubåtens ekolod. Pistolstoppsteknik är en typ av akustisk kamouflage. Dessutom är aktiv brusreducering en ny trend som potentiellt kan utvecklas till akustisk kamouflage. Aktiva brusreducerande hörlurar är för närvarande tillgängliga för konsumenten. De så kallade Near-Field Active Noise Suppression-systemen utvecklas, som placeras i det akustiska närfältet för att aktivt minimera propellerns tonljud. Det förutses att lovande system för långväga akustiska fält skulle kunna utvecklas för att dölja infanteriets handlingar.
Elektromagnetisk kamouflage (t.ex. radar). Radarkamouflagernät kombinerar speciella beläggningar och mikrofiberteknik för att ge bredbandsradardämpning över 12 dB. Användningen av valfria termiska beläggningar utökar infrarött skydd.
BMS-ULCAS (Multispectral Ultra Lightweight Camouflage Screen) från Saab Barracuda använder ett speciellt material som fästs på basmaterialet. Materialet minskar upptäckten av bredbandsradar och begränsar också synliga och infraröda frekvensområden. Varje skärm är speciellt utformad för den utrustning den skyddar.
Kamouflageuniformer. I framtiden kan aktiv kamouflage bestämma föremålet som ska döljas för att anpassa det till rymdets form. Denna teknik kallas SAD (Shape Approximation Device) och har potential att minska formdetekteringsförmågan. Ett av de mest övertygande exemplen på enhetlig kamouflage är bläckfisken, som kan smälta in i omgivningen inte bara genom att ändra färg, utan också genom att ändra hudens form och struktur.
Termisk kamouflage (t.ex. infraröd). Ett material håller på att utvecklas som dämpar värmesignaturen för naken hud genom att sprida värmeemission med hjälp av försilvrade ihåliga keramiska bollar (senosfärer), i genomsnitt 45 mikron i diameter, inbäddade i ett bindemedel för att skapa ett pigment med låga utsläpp och diffusionsegenskaper. Mikrokulorna fungerar som en spegel, reflekterar det omgivande rummet och varandra och distribuerar därmed den termiska strålningen från huden.
Multispektral kamouflage. Vissa kamouflagesystem är multispektrala, vilket innebär att de fungerar för mer än en kamouflagetyp. Saab Barracuda har till exempel utvecklat en multispektral kamouflageprodukt med hög mobilitet ombord (HMBS) som skyddar artilleribitar under avfyrning och omplacering. Signaturminskningar på upp till 90% är möjliga, och värmestrålningsdämpning gör att motorer och generatorer kan gå på tomgång för snabb start. Vissa system har dubbelsidig beläggning, vilket gör att soldater kan bära dubbelsidig kamouflage för användning på olika typer av terräng.
I slutet av 2006 tillkännagav BAE Systems det som beskrevs som "ett steg framåt inom kamouflage -teknik", i centrum för avancerad teknik uppfann "en ny form av aktiv smyg … Med ett knapptryck blir föremål praktiskt taget osynliga, blandas i deras bakgrund. " Enligt BAE Systems gav utvecklingen "företaget ett decennium av ledarskap inom stealth -teknik och kan omdefiniera världen av" stealth "-teknik." Nya koncept implementerades baserat på nya material, vilket gör det möjligt att inte bara ändra färger utan också att flytta infraröd, mikrovågsugn och radarprofil och slå samman objekt med bakgrunden, vilket gör dem nästan osynliga. Denna teknik är inbyggd i själva strukturen snarare än baserad på användning av ytterligare material, till exempel färg eller ett limskikt. Detta arbete har redan lett till registrering av 9 patent och kan fortfarande ge unika lösningar på problem med hantering av signaturer.
Aktivt kamouflagesystem baserat på RPT -teknik med projektion på en reflekterande regnrock
Nästa gräns: transformationsoptik
De aktiva / adaptiva kamouflagesystemen som beskrivs i den här artikeln och baserade på scenprojektion är ganska lika science fiction i sig (och det var faktiskt grunden för filmen "Predator"), men de är inte en del av den mest avancerade teknik som forskats inom sökningen "osynlighetens hölje". Faktum är att andra lösningar redan beskrivs, vilket kommer att vara mycket mer effektivt och praktiskt i jämförelse med aktiv kamouflage. De bygger på ett fenomen som kallas transformationsoptik. Det vill säga att vissa våglängder, inklusive synligt ljus, kan "böjas" och flöda runt ett föremål som vatten som omsluter en sten. Som ett resultat blir föremål bakom objektet synliga, som om ljus passerade genom tomt utrymme, medan själva föremålet försvinner ur sikte. I teorin kan transformationsoptik inte bara maskera objekt utan också göra dem synliga där de inte är.
Schematisk framställning av osynlighetsprincipen med hjälp av transformationsoptik
Konstnärlig framställning av metamaterialets struktur
För att detta ska hända måste föremålet eller området maskeras med hjälp av ett tillslagsmedel, vilket i sig måste vara odetekterbart för elektromagnetiska vågor. Dessa verktyg, kallade metamaterial, använder cellulära strukturer för att skapa en kombination av materialegenskaper som inte är tillgängliga i naturen. Dessa strukturer kan rikta elektromagnetiska vågor runt ett föremål och få dem att visas på andra sidan.
Den allmänna tanken bakom sådana metamaterial är negativ brytning. Däremot har alla naturmaterial ett positivt brytningsindex, en indikator på hur mycket elektromagnetiska vågor som böjs när de passerar från ett medium till ett annat. En klassisk illustration av hur brytning fungerar: en del av en pinne nedsänkt i vatten verkar vara böjd under vattenytan. Om vattnet hade negativ brytning skulle den nedsänkta delen av pinnen tvärtom sticka ut från vattenytan. Eller, för ett annat exempel, verkar en fisk som simmar under vattnet röra sig i luften ovanför vattenytan.
Nytt maskeringsmetamaterial avslöjades av Duke University i januari 2009
En elektronmikroskopbild av ett färdigt 3D -metamaterial. Delade guld -nanoringsresonatorer är arrangerade i jämna rader
Schematisk och elektronmikroskopvy av ett metamaterial (topp och sida) utvecklat av forskare vid University of California, Berkeley. Materialet är bildat av parallella nanotrådar inbäddade i porös aluminiumoxid. När synligt ljus passerar genom ett material enligt fenomenet negativ brytning, avböjs det i motsatt riktning.
För att ett metamaterial ska ha ett negativt brytningsindex måste dess strukturella matris vara mindre än längden på den använda elektromagnetiska vågen. Dessutom måste värdena för dielektrisk konstant (förmågan att överföra ett elektriskt fält) och magnetisk permeabilitet (hur den reagerar på ett magnetfält) vara negativa. Matematik är en integrerad del för att utforma de parametrar som behövs för att skapa metamaterial och visa att materialet garanterar osynlighet. Inte överraskande har mer framgång uppnåtts när man arbetar med våglängder i det bredare mikrovågsområdet, som sträcker sig från 1 mm till 30 cm. Människor ser världen i ett smalt område av elektromagnetisk strålning, känd som synligt ljus, med våglängder från 400 nanometer (violett och magentaljus) till 700 nanometer (mörkrött ljus).
Efter den första demonstrationen av metamaterialets genomförbarhet 2006, när den första prototypen byggdes, tillkännagav ett team av ingenjörer vid Duke University i januari 2009 en ny typ av cloaking -enhet, mycket mer avancerad inom cloaking över ett brett spektrum av frekvenser. De senaste framstegen inom detta område beror på utvecklingen av en ny grupp komplexa algoritmer för skapande och produktion av metamaterial. I de senaste laboratorieexperimenten reflekterades en stråle av mikrovågor riktade genom ett maskeringsmedel mot en "utbuktning" på en plan spegelyta från ytan i samma vinkel som om det inte fanns någon utbuktning. Dessutom förhindrade tillslutningsmedlet bildandet av spridda strålar, vanligtvis åtföljande sådana transformationer. Fenomenet som ligger till grund för kamouflagen liknar en hägring som setts på en varm dag framför vägen.
I ett parallellt och verkligt konkurrerande program tillkännagav forskare vid University of California i mitten av 2008 att de hade banbrytande 3D-material som kunde förändra den normala ljusriktningen i de synliga och nära infraröda spektra. Forskarna följde två olika tillvägagångssätt. I det första experimentet staplade de flera alternerande lager av silver och icke-ledande magnesiumfluorid och skar de så kallade nanometriska "mesh" -mönstren i lager för att skapa ett optiskt metamaterial i bulk. Negativ brytning mättes vid våglängder på 1500 nanometer. Det andra metamaterialet bestod av silver nanotrådar sträckta inuti porös aluminiumoxid; den hade negativ brytning vid våglängder på 660 nanometer i spektrumets röda region.
Båda materialen uppnådde negativ brytning, med mängden absorberad eller "förlorad" energi när ljus passerade genom dem var minimal.
Vänster är en schematisk bild av det första 3-D "mesh" -metamaterialet som utvecklats vid University of California som kan uppnå negativt brytningsindex i det synliga spektrumet. Till höger är bilden av den färdiga strukturen från ett svepelektronmikroskop. Intermittenta lager bildar små konturer som kan leda tillbaka ljuset
Även i januari 2012 tillkännagav forskare vid universitetet i Stuttgart att de hade gjort framsteg i tillverkningen av ett flerskiktat, split-ringmetamaterial för optiska våglängder. Detta skikt-för-lager-förfarande, som kan upprepas så många gånger som önskat, kan skapa välinriktade tredimensionella strukturer från metamaterial. Nyckeln till denna framgång var en planarisering (utjämning) metod för en grov nanolitografisk yta i kombination med hållbara fiducials som tål torr etsningsprocesser under nanotillverkning. Resultatet blev perfekt inriktning tillsammans med absolut platta lager. Denna metod är också lämplig för framställning av friformsformer i varje lager. Således är det möjligt att skapa mer komplexa strukturer.
Visst kan det krävas mycket mer forskning innan metamaterial kan skapas som kan fungera i det synliga spektrumet, i vilket det mänskliga ögat kan se, och sedan praktiska material som är lämpliga, till exempel för kläder. Men även kappmaterial som arbetar med bara några grundläggande våglängder kan ge enorma fördelar. De kan göra nattvisionssystem ineffektiva och föremål osynliga, till exempel för laserstrålar som används för att styra vapen.
Arbetskoncept
Lätta optoelektroniska system har föreslagits baserat på moderna bildanordningar och displayer som gör utvalda objekt nästan transparenta och därmed praktiskt taget osynliga. Dessa system kallas aktiva eller adaptiva kamouflagesystem på grund av att de, till skillnad från traditionell kamouflage, genererar bilder som kan förändras som svar på förändringar i scener och ljusförhållanden.
Huvudfunktionen för det adaptiva kamouflagesystemet är att projicera scenen (bakgrunden) bakom objektet på ytan av objektet närmast betraktaren. Med andra ord transporteras scenen (bakgrunden) bakom motivet och visas i paneler framför motivet.
Ett typiskt aktivt kamouflagesystem kommer sannolikt att vara ett nätverk av flexibla platta skärmar arrangerade i form av en filt som täcker alla synliga ytor på objektet som måste kamoufleras. Varje bildskärmspanel kommer att innehålla en aktiv pixelsensor (APS), eller möjligen en annan avancerad bildkamera, som kommer att riktas framåt på panelen och kommer att ta upp en liten del av panelområdet. "Coverlet" kommer också att innehålla en trådram som stöder ett nätverk av tvärbundna optiska fibrer genom vilka bilden från varje APS kommer att överföras till en extra displaypanel på motsatt sida av det maskerade föremålet.
Positionen och orienteringen för alla bildanordningar synkroniseras med positionen och orienteringen för en sensor, som bestäms av huvudbilden (sensorn). Orienteringen bestäms av ett utjämningsverktyg som styrs av huvudbildsensorn. En central styrenhet ansluten till en extern ljusmätare justerar automatiskt ljusstyrkan på alla displaypaneler för att matcha omgivande ljusförhållanden. Undersidan av det maskerade föremålet kommer att belysas artificiellt så att bilden av det maskerade föremålet uppifrån visar marken som om det var naturligt upplyst; om detta inte uppnås, kommer skuggornas uppenbara heterogenitet och diskrethet att vara synlig för observatören som tittar uppifrån och ner.
Displaypaneler kan dimensioneras och konfigureras så att totalt av dessa paneler kan användas för att maskera olika objekt utan att behöva modifiera själva objekten. Storleken och massan på typiska system och delsystem för adaptiv kamouflage uppskattades: volymen för en typisk bildsensor kommer att vara mindre än 15 cm3, medan ett system som döljer ett föremål 10 m långt, 3 m högt och 5 m brett kommer att ha en vikt mindre än 45 kg. Om föremålet som ska döljas är ett fordon, kan det adaptiva kamouflagesystemet enkelt aktiveras av fordonets elsystem utan att det påverkar dess drift negativt.
En intressant lösning för adaptiv kamouflage av militär utrustning Adaptive från BAE Systems
