Технологии активного камуфляжа достигают зрелости (часть 1)


Художественное представление будущей боевой машины, защищенной системой активного камуфляжа


В настоящее время пехотная разведка и операции внедрения выполняются с обычным камуфляжем, созданным для маскировки солдата с использованием двух основных элементов: цвет и паттерна (шаблона камуфляжной раскраски). Впрочем, военные операции в городских условиях становятся все более превалирующими, в них оптимальные цвет и паттерн могут меняться непрерывно, хоть каждую минуту. Например, солдат, носящий обмундирование зеленого цвета, будет четко выделяться на фоне белой стены. Активная камуфляжная система могла бы постоянно обновлять цвет и паттерн, скрывая солдата в его текущем окружении.


Технологии активного камуфляжа достигают зрелости (часть 1)
Природа использует активно-адаптивные маскировочные «системы» уже на протяжении миллионов лет. Можете ли вы увидеть хамелеона на этом фото?



Упрощенное представление принципа работы активно-адаптивного камуфляжа на примере ОБТ


В этой статье представлен обзор нынешних и проектируемых активных (адаптивных) камуфляжных систем. В то время как существуют многочисленные применения этих систем или они находятся в разработке, исследовательский акцент делается на системах, которые могли бы использоваться в пехотных операциях. Кроме того, целью этих исследований является предоставление информации, используемой для оценки текущей применимости активных камуфляжных систем, и помощь в проектировании будущих.

Определения и основные концепции

Активный камуфляж в видимом спектре отличается от обычного камуфляжа двумя особенностями. Первое, он подменяет внешний вид того, что маскируется внешним видом, который не только схож с окружающей средой (подобно традиционной маскировке), но точно представляет то, что находится за маскируемым объектом.

Второе, активный камуфляж также делает это в реальном времени. В идеале активный камуфляж мог бы не только имитировать близлежащие объекты, но также и удаленные, возможно и до самого горизонта, создавая совершенную визуальную маскировку. Визуальный активный камуфляж может использоваться с целью лишения способности человеческого глаза и оптических сенсоров распознавать наличие целей.

В фантастических произведениях встречается множество примеров активных камуфляжных систем и разработчики часто выбирают название для технологии, основываясь на некоторых терминах и именах из фантастики. Они, как правило, относятся к полной активной маскировке (то есть полной невидимости) и не относятся к возможностям частичного активного камуфляжа, активного камуфляжа для особых операций или любого из нынешних реальных технологических достижений. Впрочем, полная невидимость будет, безусловно, полезной для пехотных операций, например разведки и операций проникновения (инфильтрации).

Камуфляж применяется не только в визуальном спектре, но также в акустике (например, сонар), электромагнитном спектре (например, радар), тепловом поле (например, инфракрасное излучение) и для изменения формы объекта. Технологии маскировки, включая некоторые виды активного камуфляжа, были разработаны до известной степени для всех этих типов, особенно для транспортных средств (суша, море и воздух). Хотя эти работы относятся главным образом к визуальному камуфляжу для спешенного пехотинца, полезно кратко упомянуть решения в других областях, так как некоторые технологические идеи могут быть перенесены в видимый спектр.

Визуальный камуфляж. Визуальный камуфляж состоит из формы, поверхности, блеска, силуэта, тени, расположения и движения. Система активного камуфляжа может содержать все эти аспекты. В этой статье упор сделан на визуальный активный камуфляж, поэтому эти системы подробно представлены в следующих подразделах.

Акустический камуфляж (например, сонар). Начиная с 40-х годов, многие страны проводили эксперименты со звукопоглощающими поверхностями для снижения гидроакустического отражения подлодок. Технологии глушения орудий представляют собой вид акустического камуфляжа. Кроме того, активное подавление шума – это новое направление, которое могло бы потенциально развиться в акустический камуфляж. В настоящее время для потребителя доступны активные наушники с шумоподавлением. Разрабатываются так называемые системы активного шумоподавления ближнего поля (Near-Field Active Noise Suppression), которые размещаются в акустическом ближнем поле для активной минимизации в первую очередь тонального шума гребных винтов. Прогнозируется, что могут быть разработаны перспективные системы для акустических полей дальнего действия с целью маскировки действий пехоты.

Электромагнитный камуфляж (например, радар). Антирадарные камуфляжные сетки сочетают специальные покрытия и применение микроволоконной технологии, обеспечивая широкополосное радиолокационное затухание более 12 дБ. Применение опциональных тепловых покрытий расширяет защиту в инфракрасных диапазонах.


В сверхлегком многоспектральном камуфляжном экране BMS-ULCAS (Multispectral Ultra Lightweight Camouflage Screen) от компании Saab Barracuda используется специальный материал, крепимый к материалу-основе. Материал снижает обнаружение широкополосного радара, и также сужает видимые и инфракрасные диапазоны частот. Каждый экран предназначается специально для того оборудования, которое он защищает.

Камуфляж формы. В будущем активный камуфляж может определить маскируемый объект с целью его адаптации к форме пространства. Эта технология известна под обозначением SAD (Shape Approximation Device – устройство аппроксимации формы) и может потенциально снижать возможность определения формы. Одним из самых убедительных примеров камуфляжа формы является осьминог, который может слиться с окружением не только за счет смены цвета, но также формы и текстуры своей кожи.

Тепловой камуфляж (например, инфракрасный). Разрабатывается материал, который ослабляет тепловую сигнатуру обнаженной кожи за счет диффузии тепловой эмиссии с помощью посеребренных полых керамических шариков (сеносфер), в среднем 45 микрон в диаметре, внедряемых в связующий материал для создания пигмента с низкими эмиссионными и диффузионными свойствами. Микрошарики работают как зеркало, отражая окружающее пространство и друг друга, и, тем самым, распределяют эмиссию теплового излучения кожи.

Мультиспектральный камуфляж. Некоторые маскировочные системы являются мультиспектральными, то есть они работают более чем для одного камуфляжного типа. Например, компания Saab Barracuda разработала мультиспектральный камуфляжный продукт HMBS (High Mobility on-Board System – бортовая система для повышенной мобильности), который защищает артиллерийские орудия во время стрельбы и передислокации. Возможно снижение сигнатур до 90%, подавление теплового излучения позволяет двигателям и генераторами работать на холостом ходу для того, чтобы быстро начать движение. Некоторые системы имеют двухстороннее покрытие, что позволяет солдатам носить двухсторонний камуфляж для использования на разных типах местности.


В конце 2006 года компания BAE Systems объявила о том, что описывается как «скачок вперед в технологии камуфляжа», в ее центре продвинутых технологий изобрели «новую форму активной незаметности... При нажатии кнопки объекты становятся фактически невидимыми, сливаясь со своим фоном». По заявлению BAE Systems, эта разработка «дала компании десятилетнее лидерство в технологии незаметности и могла бы переопределить мир «малозаметного» инжиниринга». Были реализованы новые концепции, основанные на новых материалах, что позволяет не только менять их цвета, но также смещать инфракрасный, микроволновый и радиолокационный профиль и сливать объекты с фоном, что делает их практически невидимыми. Эта технология встроена скорее в саму структуру, чем основана на использовании дополнительного материала, например краске или наклеиваемом слое. Эти работы уже привели к регистрации 9 патентов и могут еще дать уникальные решения проблем управления сигнатурами


Активная камуфляжная система на базе технологии RPT с проецированием на световозвращающий плащ


Следующий рубеж: Трансформационная оптика

Системы активного/адаптивного камуфляжа, описываемые в этой статье и базирующиеся на проекции сцены, вполне уже сами по себе похожи на научную фантастику (и действительно это стало основой фильма «Хищник»), но они не являются частью самой продвинутой технологии, исследуемой в поисках «покрова невидимости». Действительно, уже намечаются другие решения, которые будут гораздо более эффективными и практичными в применении по сравнению с активным камуфляжем. Они основаны на феномене известном как трансформационная оптика. То есть некоторые длины волн, включая видимый свет, могут быть «изогнуты» и в виде потока направлены вокруг объекта подобно воде огибающей камень. В результате, предметы за объектом становятся видимыми, как если бы свет прошел через пустое пространство, в то время как сам объект исчезает из виду. В теории трансформационная оптика может не только маскировать объекты, но также делать их видимыми в том месте, где они не находятся.


Схематическое представление принципа невидимости посредством трансформационной оптики



Художественное представление структуры метаматериала


Впрочем, чтобы это произошло, объект или область должны быть замаскированы с использованием маскирующего средства, которое должно быть само не определяемо для электромагнитных волн. В таких средствах, названных метаматериалами, используется структуры с ячеистой архитектурой с целью создания сочетания характеристик материалов, недоступных в природе. Эти структуры могут направлять электромагнитные волны вокруг объекта и заставлять их появиться на другой стороне.

Общая идея таких метаматериалов заключается в негативном преломлении. Напротив, все природные материалы имеют позитивный показатель преломления, показатель того, какое количество электромагнитных волн искривляется при переходе из одной среды в другую. Классическая иллюстрация того, как работает преломление: погруженная в воду часть палочки кажется искривленной под поверхностью воды. Если бы вода имела негативное преломление, погруженная часть палочки наоборот выступала бы из поверхности воды. Или, еще один пример, рыба, плавающая под водой, казалась бы движущейся в воздухе над поверхностью воды.


Новый маскирующий метаматериал показан университетом Дьюка в январе 2009 года



Изображение электронного микроскопа готового 3D метаматериала. Резонаторы из разрезных золотых наноколец расположены ровными рядами


Схематическое изображение и изображение с электронного микроскопа метаматериала (сверху и сбоку), разработанного исследователями из калифорнийского университета в Беркли. Материал сформирован из параллельных нанонитей, встроенных внутрь пористого оксида алюминия. При прохождении видимого света через материал согласно феномену негативного преломления он отклоняется в обратном направлении


Для того, чтобы у метаматериала был отрицательный показатель преломления, его структурная матрица должна быть меньше длины используемой электромагнитной волны. Кроме того, значения диэлектрической проницаемости (способность пропускать электрическое поле) и магнитной проницаемости (как он реагирует на магнитное поле) должны быть отрицательными. Математика является неотъемлемой частью при проектировании параметров, необходимых для создания метаматериалов и демонстрации того, что материал гарантирует невидимость. Неудивительно, что больший успех был достигнут при работе с длинами волн в более широком микроволновом диапазоне, который варьируется от 1 мм до 30 см. Люди видят мир в узком диапазоне электромагнитного излучения, известном как видимый свет, с длиной волн от 400 нанометров (фиолетовый и пурпурный свет) до 700 нанометров (темно-красный свет).

После первой демонстрации осуществимости метаматериала в 2006 году, когда был создан первый прототип, команда инженеров из университета Дьюка объявила в январе 2009 года об изготовлении нового типа маскировочного средства, значительно более продвинутого в маскировке в широком спектре частот. Новейшие достижения в этой сфере обязаны разработкой новой группы сложных алгоритмов для создания и производства метаматериалов. В последних лабораторных экспериментах пучок микроволн, направленный через маскирующее средство на «выпуклость» на плоской зеркальной поверхности, отражался от поверхности под тем же углом как, если бы выпуклости не было. Кроме того, маскирующее средство препятствовало формированию рассеянных лучей, обычно сопутствующее такого рода преобразованиям. Лежащий в основе маскировки феномен напоминает мираж видимый в жаркий день впереди на дороге.

В параллельной и реально конкурирующей программе ученые калифорнийского университета объявили в середине 2008 года о том, что они впервые разработали 3-D материалы, которые могут изменять нормальное направление света в видимом спектре и в ближнем ИК-спектре. Исследователи следовали двум четким подходам. В первом эксперименте они сложили несколько чередующихся слоев серебра и непроводящего фторида магния и разрезали так называемые нанометрические «сетчатые» паттерны на слои с целью создания объемного оптического метаматериала. Отрицательное преломление было измерено на длинах волн в 1500 нанометров. Второй метаматериал состоял из серебряных нанонитей, протянутых внутри пористого оксида алюминия; он имел отрицательное преломление при длинах волн 660 нанометров в красной области спектра.
Оба материала достигли отрицательного преломления, при этом количество поглощенной или «потерянной» энергии при прохождении света через них было минимальным.


Слева схематичное изображение первого 3-D «сетчатого» метаматериала, разработанного в калифорнийском университете который может достигнуть отрицательного показателя преломления в видимом спектре. Справа изображение готовой структуры со сканирующего электронного микроскопа. Перемежающиеся слои формируют небольшие контуры, которые могут отклонить свет назад


Также в январе 2012 года исследователи из университета Штутгарта объявили о том, что они достигли успехов в изготовлении многослойного метаматериала с разрезными кольцами для волн оптического диапазона. Эта послойная процедура, которая может быть повторена сколь угодно раз, способна создавать хорошо выровненные трехмерные структуры из метаматериалов. Ключом к этому успеху стал метод планаризации (выравнивания) для шероховатой нанолитографической поверхности в сочетании с прочными реперными метками, которые выдерживали процессы сухого травления во время нанопроизводства. В результате было получено совершенное выравнивание наряду с абсолютно плоскими слоями. Этот метод подходит также для производства произвольных форм в каждом слое. Таким образом, возможно создание более сложных структур.

Определенно может потребоваться гораздо больше исследований, прежде чем будут созданы метаматериалы, которые смогут работать в видимом спектре, в котором видит и человеческий глаз, а затем практические материалы, подходящие, например, для одежды. Но даже маскировочные материалы, работающие всего в нескольких основных длинах волн, могли бы предложить огромные преимущества. Они могут сделать системы ночного видения неэффективными, а объекты невидимыми, например, для лазерных лучей, используемых для наведения вооружения.

Рабочая концепция

Были предложены легкие оптико-электронные системы на базе современных формирователей изображения и дисплеев, которые делают выбранные объекты почти прозрачными и таким образом фактически невидимыми. Эти системы названы системами активного или адаптивного камуфляжа в связи с тем, что в отличие от традиционного камуфляжа они генерируют изображения, которые могут меняться в ответ на изменения сцен и условий освещенности.

Основной функцией системы адаптивного камуфляжа является проецирование на ближнюю к зрителю поверхность объекта сцены (фона), находящейся за объектом. Другими словами, сцена (фон) позади объекта переносится и демонстрируется на панелях впереди объекта.

Типичная система активного камуфляжа будет, по всей видимости, представлять собой сеть гибких плоскопанельных дисплеев, выстроенных в форме некоего покрывала, которое будет закрывать все видимые поверхности объекта, которые необходимо замаскировать. Каждая дисплейная панель будет содержать активный пиксельный сенсор (APS), или возможно другой продвинутый формирователь изображения, который будет направлен вперед от панели и который займет малую часть площади панели. «Покрывало» будет также содержать проволочный каркас, служащий опорой для сети перекрестно соединенных оптоволоконных нитей, через которые изображение от каждого APS будет передаваться на дополнительную дисплейную панель на противоположной стороне маскируемого объекта.

Положение и ориентация всех формирователей изображений будут синхронизированы с положением и ориентацией одного сенсора, который будет определен главным формирователем (датчиком) изображения. Ориентация будет определяться выравнивающим инструментом, управляемым главным датчиком изображения. Центральный контроллер, соединенный с внешним люксметром, будет автоматически настраивать уровни яркости всех дисплейных панелей для того, чтобы согласовать их с внешними условиями освещенности. Нижняя сторона маскируемого объекта будет подсвечиваться искусственно так, чтобы изображение маскируемого объекта сверху демонстрировало землю как будто при естественно освещении; если этого не добиться, тогда очевидная неоднородность и дискретность теней будет видна наблюдателю, смотрящему сверху вниз.

Дисплейные панели могут быть подогнаны по размерам и сконфигурированы так, что общее количество таких панелей может использоваться для маскировки различных объектов без необходимости видоизменения самих объектов. Была проведена оценка размеров и массы типичных систем и подсистем адаптивного камуфляжа: объем типичного сенсора изображения будет менее 15 см3, тогда как система, маскирующая объект длиной 10 м, высотой 3 м и шириной 5, и будет иметь массу менее 45 кг. Если маскируемый объект – транспортное средство, тогда систему адаптивного камуфляжа можно без проблем приводить в действие за счет электрической системы транспортного средства без какого-либо негативного влияния на его работу.


Любопытное решение адаптивного камуфлирования боевой техники Adaptive от компании BAE Systems
Ctrl Enter

Заметили ошЫбку Выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

30 комментариев
Информация
Уважаемый читатель, чтобы оставлять комментарии к публикации, необходимо зарегистрироваться.
Уже зарегистрированы? Войти