Konstnärlig representation av ett framtida stridsfordon skyddat av ett aktivt kamouflagesystem
För närvarande utförs infanterispanings- och infiltrationsoperationer med konventionellt kamouflage utformat för att kamouflera en soldat med två huvudelement: färg och mönster (kamouflagemönster). Militära operationer i stadsområden blir dock allt vanligare, där den optimala färgen och mönstret kan ändras kontinuerligt, även varje minut. Till exempel kommer en soldat som bär gröna uniformer att sticka ut tydligt mot en vit vägg. Ett aktivt kamouflagesystem kunde ständigt uppdatera färg och mönster och dölja soldaten i hans nuvarande miljö.
Naturen har använt aktivt adaptiva kamouflage-"system" i miljontals år. Kan du se kameleonten på det här fotot?
Förenklad representation av funktionsprincipen för aktivt adaptivt kamouflage med hjälp av exemplet med MBT
Den här artikeln ger en översikt över nuvarande och projicerade aktiva (adaptiva) kamouflagesystem. Även om det finns många tillämpningar av dessa system eller de är under utveckling, ligger forskningsfokus på system som skulle kunna användas i infanterioperationer. Dessutom är syftet med dessa studier att tillhandahålla information som används för att utvärdera den nuvarande tillämpbarheten av aktiva kamouflagesystem och hjälpa till att designa framtida.
Definitioner och grundläggande begrepp
Aktivt kamouflage i det synliga spektrumet skiljer sig från konventionellt kamouflage på två sätt. För det första ersätter det utseendet på det som maskeras med ett utseende som inte bara liknar miljön (liknande traditionell förklädnad), utan exakt representerar vad som finns bakom det maskerade objektet.
För det andra gör aktivt kamouflage detta i realtid. Idealt sett skulle aktivt kamouflage inte bara kunna imitera närliggande föremål, utan också avlägsna föremål, kanske till och med ända till horisonten, vilket skapar perfekt visuellt kamouflage. Visuellt aktivt kamouflage kan användas för att beröva det mänskliga ögat och optiska sensorer förmågan att känna igen förekomsten av mål.
Det finns många exempel på aktiva kamouflagesystem inom skönlitteratur, och utvecklare väljer ofta ett namn på tekniken utifrån några termer och namn från skönlitteratur. De hänvisar i allmänhet till fullständigt aktivt kamouflage (d.v.s. total osynlighet) och hänvisar inte till partiell aktiv kamouflagefunktion, aktiv kamouflage för speciella operationer eller någon av de nuvarande verkliga tekniska framstegen. Men fullständig osynlighet kommer säkerligen att vara användbar för infanterioperationer, såsom spaning och infiltrationsoperationer (infiltration).
Kamouflage tillämpas inte bara i det visuella spektrumet, utan också i akustik (t.ex. ekolod), elektromagnetiskt spektrum (t.ex. radar), termiskt fält (t.ex. infrarött) och för att ändra formen på ett föremål. Döljningstekniker, inklusive vissa typer av aktivt kamouflage, har i viss utsträckning utvecklats för alla dessa typer, särskilt för fordon (land, sjö och luft). Även om detta arbete huvudsakligen relaterar till visuellt kamouflage för den avmonterade infanteristen, är det användbart att kort nämna lösningar inom andra områden, eftersom en del av de tekniska idéerna kan överföras till det synliga spektrumet.
visuellt kamouflage. Visuellt kamouflage består av form, yta, glans, siluett, skugga, plats och rörelse. Ett aktivt kamouflagesystem kan innehålla alla dessa aspekter. Den här artikeln fokuserar på visuellt aktivt kamouflage, så dessa system beskrivs i följande underavsnitt.
Akustiskt kamouflage (till exempel ekolod). Sedan 40-talet har många länder experimenterat med ljudabsorberande ytor för att minska den hydroakustiska reflektionen från ubåtar. Pistolstörningstekniker är en form av akustiskt kamouflage. Dessutom är aktiv brusreducering en ny riktning som potentiellt kan utvecklas till akustiskt kamouflage. Aktiva brusreducerande hörlurar är för närvarande tillgängliga för konsumenten. Så kallade Near-Field Active Noise Suppression-system utvecklas, som placeras i det akustiska närområdet för att aktivt minimera propellertonala brus i första hand. Det förutspås att lovande system för akustiska fält med lång räckvidd kan utvecklas för att maskera infanteriets handlingar.
Elektromagnetisk kamouflage (till exempel radar). Anti-radar kamouflagenät kombinerar speciella beläggningar och användning av mikrofiberteknik, vilket ger bredbandsradardämpning på mer än 12 dB. Användningen av valfria termiska beläggningar utökar det infraröda skyddet.
Den ultralätta multispektrala kamouflageskärmen BMS-ULCAS (Multispectral Ultra Lightweight Camouflage Screen) från Saab Barracuda använder ett speciellt material fäst på basmaterialet. Materialet minskar detektering av bredbandsradar och minskar även synliga och infraröda frekvensband. Varje skärm är designad specifikt för den utrustning den skyddar.
Kamouflageuniformer. I framtiden kan aktivt kamouflage identifiera det maskerade föremålet för att anpassa det till utrymmets form. Denna teknik är känd som SAD (Shape Approximation Device) och kan potentiellt minska förmågan att bestämma formen. Ett av de mest övertygande exemplen på formkamouflage är bläckfisken, som kan smälta in i sin omgivning inte bara genom att ändra färg, utan också genom att ändra formen och strukturen på sin hud.
Termiskt kamouflage (till exempel infrarött). Ett material håller på att utvecklas som dämpar den termiska signaturen hos exponerad hud genom att sprida termisk emission med silverpläterade ihåliga keramiska sfärer (senosfärer), med en genomsnittlig diameter på 45 mikron, inbäddade i ett bindningsmaterial för att skapa ett pigment med låg emissivitet och diffusionsegenskaper. Mikroballongerna fungerar som en spegel, reflekterar det omgivande utrymmet och varandra, och fördelar därmed utsläppet av värmestrålning från huden.
Multispektralt kamouflage. Vissa kamouflagesystem är multispektrala, vilket innebär att de fungerar för mer än en kamouflagetyp. Till exempel har Saab Barracuda utvecklat HMBS (High Mobility on-Board System) multispektral kamouflageprodukt som skyddar artilleripjäser under skjutning och omplacering. Signaturreduktioner på upp till 90 % är möjliga, värmeavvisning gör att motorer och generatorer går på tomgång för att snabbt komma igång. Vissa system är dubbelsidiga, vilket gör att soldater kan bära dubbelsidigt kamouflage för användning i olika typer av terräng.
I slutet av 2006 tillkännagav BAE Systems vad som beskrivs som "ett språng framåt inom kamouflageteknik" och dess avancerade teknologicenter uppfann "en ny form av aktiv smyg... Med en knapptryckning blir föremål praktiskt taget osynliga och smälter in i deras bakgrund." Enligt BAE Systems gav denna utveckling företaget ett decennium av ledarskap inom stealth-teknik och kunde omdefiniera världen av stealth engineering. Nya koncept baserade på nya material har implementerats, vilket gör det möjligt att inte bara ändra sina färger, utan också att ändra den infraröda, mikrovågs- och radarprofilen och slå samman objekt med bakgrunden, vilket gör dem nästan osynliga. Denna teknik är inbyggd i själva strukturen snarare än baserad på användningen av ett ytterligare material, såsom färg eller ett limskikt. Detta arbete har redan resulterat i registreringen av 9 patent och kan ändå ge unika lösningar på signaturhanteringsproblem.
Aktivt kamouflagesystem baserat på RPT-teknik med projektion på en reflekterande regnrock
Next Frontier: Transformationsoptik
De aktiva/adaptiva kamouflagesystemen som beskrivs i den här artikeln, som är baserade på scenprojektion, är ganska science fiction i sig (och blev faktiskt grunden för Predator-filmen), men de är inte en del av den mest avancerade tekniken som utforskats i sökningen "hölje av osynlighet. Faktum är att andra lösningar redan planeras som kommer att vara mycket mer effektiva och praktiska att använda än aktivt kamouflage. De är baserade på ett fenomen som kallas transformationsoptik. Det vill säga, vissa våglängder, inklusive synligt ljus, kan "böjas" och strömmas runt ett föremål som vatten som rinner runt en sten. Som ett resultat blir objekt bakom objektet synliga, som om ljus passerar genom ett tomt utrymme, medan själva objektet försvinner från synen. I teorin kan transformationsoptik inte bara maskera objekt, utan också göra dem synliga där de inte är.
Schematisk representation av osynlighetsprincipen med hjälp av transformationsoptik
Konstnärlig representation av den metamateriella strukturen
Men för att detta ska hända måste objektet eller området maskeras med ett maskeringsmedel, som i sig måste vara oupptäckbart för elektromagnetiska vågor. Dessa verktyg, som kallas metamaterial, använder cellulära arkitekturstrukturer för att skapa kombinationer av materialegenskaper som inte finns i naturen. Dessa strukturer kan rikta elektromagnetiska vågor runt ett föremål och få dem att dyka upp på andra sidan.
Den allmänna idén med sådana metamaterial är negativ brytning. Tvärtom har alla naturmaterial ett positivt brytningsindex, ett mått på hur många elektromagnetiska vågor som böjs när de flyttas från ett medium till ett annat. En klassisk illustration av hur refraktion fungerar: den nedsänkta delen av pinnen verkar vara krökt under vattenytan. Om vattnet hade en negativ brytning skulle den nedsänkta delen av pinnen tvärtom sticka ut från vattenytan. Eller, för att ta ett annat exempel, en fisk som simmar under vattnet verkar röra sig i luften ovanför vattenytan.
Nytt cloaking-metamaterial visade av Duke University i januari 2009
Bild av elektronmikroskopet av det färdiga 3D-metamaterialet. Resonatorer gjorda av delade guldnanorer är ordnade i jämna rader
Schematisk och elektronmikroskopbild 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 avböjs det i motsatt riktning enligt fenomenet negativ brytning.
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 permittivitet (förmågan att passera ett elektriskt fält) och magnetisk permeabilitet (hur den reagerar på ett magnetfält) vara negativa. Matematik är en integrerad del av att utforma de parametrar som behövs för att skapa metamaterial och visa att materialet garanterar osynlighet. Inte överraskande har mer framgång uppnåtts 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 som kallas synligt ljus, med våglängder som sträcker sig från 400 nanometer (violett och magenta ljus) upp till 700 nanometer (djuprött ljus).
Efter att ha demonstrerat metamaterialets genomförbarhet 2006, när den första prototypen tillverkades, meddelade ett team av ingenjörer vid Duke University i januari 2009 att en ny typ av cloaking-anordning tillverkades som var betydligt mer avancerad i cloaking över ett brett frekvensspektrum. . De senaste landvinningarna på detta område beror på utvecklingen av en ny grupp av komplexa algoritmer för att skapa och producera metamaterial. I nyligen genomförda laboratorieexperiment reflekterades en mikrovågsstråle riktad genom ett maskeringsmedel på en "bula" på en plan spegelyta från ytan i samma vinkel som om det inte fanns någon bula. Dessutom förhindrade maskeringsmedlet bildandet av spridda strålar, vilket vanligtvis åtföljer sådana transformationer. Det underliggande fenomenet kamouflage påminner om en hägring som sågs en varm dag framåt på vägen.
I ett parallellt och verkligt konkurrerande program tillkännagav forskare vid University of California i mitten av 2008 att de för första gången hade utvecklat 3D-material som kunde ändra ljusets normala riktning i det synliga spektrumet och i det nära IR-spektrumet . Forskarna följde två distinkta tillvägagångssätt. I det första experimentet staplade de flera omväxlande lager av silver och icke-ledande magnesiumfluorid och skar de så kallade nanometer-"rutnätsmönstren" i lager för att skapa ett bulk optiskt metamaterial. Negativ brytning har uppmätts 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 det röda området av spektrumet.
Båda materialen uppnådde negativ brytning, medan mängden energi som absorberades eller "försvann" när ljus passerade genom dem var minimal.
Till vänster är en schematisk representation av det första 3-D "nätade" metamaterialet utvecklat vid University of California som kan uppnå ett negativt brytningsindex i det synliga spektrumet. Till höger är en bild av den färdiga strukturen från ett svepelektronmikroskop. Interfolierade lager bildar små konturer som kan avleda ljus tillbaka.
Också i januari 2012 meddelade forskare vid universitetet i Stuttgart att de hade gjort framsteg med att tillverka ett flerskiktsmetamaterial med delade ringar för optiska våglängder. Denna lager-för-lager-procedur, som kan upprepas så många gånger som önskas, är kapabel att skapa väljusterade tredimensionella strukturer från metamaterial. Nyckeln till denna framgång var planariseringsmetoden för den grova nanolitografiska ytan, kombinerat med starka äkta märken som motstod torretsningsprocesser under nanotillverkning. Resultatet blev perfekt inriktning tillsammans med perfekt platta lager. Denna metod är också lämplig för att producera friformsformer i varje lager. Därmed är det möjligt att skapa mer komplexa strukturer.
Visst kan det behövas mycket mer forskning innan man kan skapa metamaterial som kan fungera i det synliga spektrum, som det mänskliga ögat ser, och sedan praktiska material som passar till exempelvis kläder. Men även cloaking-material som fungerar på bara några få stora våglängder kan erbjuda enorma fördelar. De kan göra mörkerseendesystem ineffektiva och föremål osynliga för till exempel laserstrålar som används för att rikta vapen.
Fungerande koncept
Lätta optoelektroniska system baserade på moderna bildapparater och displayer har föreslagits 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 traditionellt kamouflage, genererar bilder som kan förändras som svar på förändrade scener och ljusförhållanden.
Huvudfunktionen hos det adaptiva kamouflagesystemet är projiceringen på ytan av objektet närmast betraktaren av scenen (bakgrunden) bakom objektet. Med andra ord, scenen (bakgrunden) bakom objektet överförs och visas på panelerna framför objektet.
Ett typiskt aktivt kamouflagesystem skulle tyckas vara ett nätverk av flexibla plattskärmar arrangerade i form av ett slags filt som skulle täcka alla synliga ytor av föremålet som behöver maskeras. Varje displaypanel kommer att innehålla en aktiv pixelsensor (APS), eller möjligen en annan avancerad bildkamera, som kommer att riktas framåt från panelen och upptar en liten del av panelytan. "Täcket" kommer också att innehålla en trådram som stöder ett nätverk av korsanslutna fiberoptiska trådar genom vilka bilden från varje APS kommer att överföras till en extra displaypanel på motsatt sida av det maskerade objektet.
Positionen och orienteringen för alla bildapparater kommer att synkroniseras med positionen och orienteringen för en sensor, som bestäms av huvudbildaren (sensorn). Orienteringen kommer att bestämmas av justeringsverktyget som styrs av huvudbildsensorn. En central styrenhet ansluten till en extern ljusmätare kommer automatiskt att justera ljusstyrkan för alla bildskärmspaneler för att matcha omgivande ljusförhållanden. Undersidan av det maskerade föremålet kommer att framhävas artificiellt så att bilden av det maskerade föremålet från ovan visar marken som i naturligt ljus; om detta inte uppnås, kommer skuggornas uppenbara heterogenitet och diskrethet att vara synlig för en betraktare som tittar ner.
Displaypanelerna kan dimensioneras och konfigureras så att det totala antalet sådana paneler kan användas för att maskera olika objekt utan att behöva modifiera själva objekten. En bedömning av storleken och vikten av typiska adaptiva kamouflagesystem och delsystem utfördes: volymen av en typisk bildsensor kommer att vara mindre än 15 cm3, medan ett system som maskerar ett objekt 10 m långt, 3 m högt och 5 m brett kommer att ha en vikt på mindre än 45 kg. Om det kamouflerade föremålet är ett fordon, kan det adaptiva kamouflagesystemet enkelt aktiveras av fordonets elektriska system utan någon negativ inverkan på dess funktion.
En nyfiken lösning för adaptiv kamouflage av militär utrustning Adaptive från BAE Systems