Mô tả nghệ thuật của một phương tiện chiến đấu trong tương lai được bảo vệ bởi một hệ thống ngụy trang chủ động
Hiện nay, các hoạt động trinh sát và xâm nhập của bộ binh được thực hiện với một loại ngụy trang thông thường được thiết kế để ngụy trang cho một người lính sử dụng hai yếu tố chính: màu sắc và hoa văn (ngụy trang hoa văn). Tuy nhiên, các hoạt động quân sự trong môi trường đô thị đang trở nên phổ biến hơn, trong đó màu sắc và họa tiết tối ưu có thể thay đổi liên tục, thậm chí từng phút. Ví dụ, một người lính mặc quân phục màu xanh lá cây sẽ nổi bật rõ ràng trên nền tường trắng. Một hệ thống ngụy trang hoạt động có thể liên tục cập nhật màu sắc và kiểu dáng, che giấu người lính trong môi trường hiện tại của anh ta
Thiên nhiên đã sử dụng các "hệ thống" ngụy trang thích ứng tích cực trong hàng triệu năm. Bạn có thể nhìn thấy con tắc kè hoa trong bức ảnh này không?
Trình bày đơn giản về nguyên tắc hoạt động của ngụy trang thích ứng chủ động bằng cách sử dụng ví dụ về MBT
Bài viết này cung cấp tổng quan về các hệ thống ngụy trang hoạt động (thích ứng) hiện tại và dự kiến. Trong khi có rất nhiều ứng dụng cho các hệ thống này hoặc đang trong quá trình phát triển, trọng tâm nghiên cứu là các hệ thống có thể được sử dụng trong các chiến dịch bộ binh. Ngoài ra, mục đích của các nghiên cứu này là cung cấp thông tin được sử dụng để đánh giá khả năng ứng dụng hiện tại của các hệ thống ngụy trang đang hoạt động và giúp thiết kế các hệ thống trong tương lai.
Định nghĩa và khái niệm cơ bản
Ngụy trang chủ động trong quang phổ khả kiến khác với ngụy trang thông thường theo hai cách. Đầu tiên, nó thay thế diện mạo của thứ đang được che bằng một diện mạo không chỉ giống với môi trường (giống như mặt nạ truyền thống), mà còn thể hiện chính xác những gì đằng sau vật thể bị che.
Thứ hai, ngụy trang chủ động cũng thực hiện điều này trong thời gian thực. Lý tưởng nhất, ngụy trang chủ động không chỉ có thể bắt chước các vật thể ở gần mà còn cả những vật thể ở xa, có thể xa đến tận đường chân trời, tạo ra một lớp ngụy trang trực quan hoàn hảo. Ngụy trang chủ động bằng hình ảnh có thể được sử dụng để vô hiệu hóa khả năng mắt người và cảm biến quang học nhận biết sự hiện diện của mục tiêu.
Có rất nhiều ví dụ về các hệ thống ngụy trang tích cực trong tiểu thuyết và các nhà phát triển thường chọn tên cho một công nghệ dựa trên một số thuật ngữ và tên từ tiểu thuyết. Chúng thường đề cập đến ngụy trang chủ động hoàn toàn (nghĩa là tàng hình hoàn toàn) và không đề cập đến khả năng ngụy trang chủ động một phần, ngụy trang chủ động cho các hoạt động đặc biệt hoặc bất kỳ tiến bộ công nghệ nào trong thế giới thực hiện nay. Tuy nhiên, khả năng tàng hình hoàn toàn chắc chắn sẽ hữu ích cho các hoạt động của bộ binh, chẳng hạn như các hoạt động trinh sát và xâm nhập.
Ngụy trang không chỉ được sử dụng trong quang phổ hình ảnh mà còn trong âm học (ví dụ, sóng siêu âm), phổ điện từ (ví dụ, radar), trường nhiệt (ví dụ, bức xạ hồng ngoại) và để thay đổi hình dạng của một vật thể. Các công nghệ ngụy trang, bao gồm một số ngụy trang chủ động, đã được phát triển ở một mức độ nhất định cho tất cả các loại này, đặc biệt là cho các phương tiện (trên bộ, trên biển và trên không). Mặc dù công việc này chủ yếu liên quan đến ngụy trang bằng hình ảnh cho một lính bộ binh đã xuống ngựa, nhưng sẽ rất hữu ích khi đề cập ngắn gọn đến các giải pháp trong các lĩnh vực khác, vì một số ý tưởng công nghệ có thể được chuyển sang phổ khả kiến.
Ngụy trang trực quan. Ngụy trang trực quan bao gồm hình dạng, bề mặt, độ bóng, bóng, bóng, vị trí và chuyển động. Một hệ thống ngụy trang hoạt động có thể chứa tất cả các khía cạnh này. Bài viết này tập trung vào ngụy trang chủ động bằng hình ảnh, vì vậy các hệ thống này được trình bày chi tiết trong các phần phụ sau.
Ngụy trang âm thanh (ví dụ: sonar). Từ những năm 1940, nhiều quốc gia đã thử nghiệm bề mặt hấp thụ âm thanh để giảm phản xạ sóng âm của tàu ngầm. Công nghệ gây nhiễu của súng là một loại ngụy trang âm thanh. Ngoài ra, khử tiếng ồn chủ động là một xu hướng mới có khả năng phát triển thành ngụy trang âm thanh. Tai nghe khử tiếng ồn chủ động hiện đang được cung cấp cho người tiêu dùng. Cái gọi là Hệ thống triệt tiêu tiếng ồn chủ động trường gần đang được phát triển, được đặt trong trường gần âm thanh để chủ động giảm thiểu, chủ yếu, tiếng ồn âm của cánh quạt. Người ta dự đoán rằng các hệ thống đầy hứa hẹn cho trường âm thanh tầm xa có thể được phát triển để che giấu các hoạt động của bộ binh.
Ngụy trang điện từ (chẳng hạn như radar). Lưới ngụy trang radar kết hợp các lớp phủ đặc biệt và công nghệ sợi nhỏ để cung cấp độ suy giảm radar băng thông rộng vượt quá 12 dB. Việc sử dụng các lớp phủ nhiệt tùy chọn giúp mở rộng khả năng bảo vệ tia hồng ngoại.
BMS-ULCAS (Màn hình ngụy trang siêu nhẹ đa mặt kính) của Saab Barracuda sử dụng một vật liệu đặc biệt được gắn vào vật liệu cơ bản. Vật liệu này làm giảm sự phát hiện của radar băng thông rộng, đồng thời thu hẹp phạm vi tần số nhìn thấy và hồng ngoại. Mỗi màn hình được thiết kế đặc biệt cho thiết bị mà nó bảo vệ.
Đồng phục ngụy trang. Trong tương lai, ngụy trang chủ động có thể xác định đối tượng được che đậy để thích nghi với hình dạng của không gian. Công nghệ này được gọi là SAD (Thiết bị xấp xỉ hình dạng) và có khả năng làm giảm khả năng phát hiện hình dạng. Một trong những ví dụ hấp dẫn nhất về khả năng ngụy trang đồng nhất là loài bạch tuộc, có thể hòa hợp với môi trường xung quanh không chỉ bằng cách thay đổi màu sắc mà còn bằng cách thay đổi hình dạng và kết cấu của da.
Ngụy trang nhiệt (ví dụ: hồng ngoại). Một vật liệu đang được phát triển để làm giảm dấu hiệu nhiệt của da trần bằng cách phát xạ nhiệt khuếch tán bằng cách sử dụng các quả cầu gốm rỗng tráng bạc (hạt senospheres), đường kính trung bình 45 micron, được nhúng trong chất kết dính để tạo ra một sắc tố có đặc tính phát xạ và khuếch tán thấp. Các microbeads hoạt động giống như một tấm gương, phản chiếu không gian xung quanh và lẫn nhau, và do đó phân phối bức xạ nhiệt từ da.
Ngụy trang đa kính. Một số hệ thống ngụy trang là đa kính, có nghĩa là chúng hoạt động cho nhiều loại ngụy trang. Ví dụ, Saab Barracuda đã phát triển một sản phẩm ngụy trang đa mặt kính trên Hệ thống Cơ động Cao (HMBS) để bảo vệ các mảnh pháo trong quá trình bắn và tái triển khai. Có thể giảm tới 90% đặc tính và triệt tiêu bức xạ nhiệt cho phép động cơ và máy phát điện ở chế độ không tải để khởi động nhanh. Một số hệ thống có lớp phủ hai mặt, cho phép binh lính mặc ngụy trang hai mặt để sử dụng trên các loại địa hình khác nhau.
Vào cuối năm 2006, BAE Systems đã công bố thứ được mô tả là "một bước tiến nhảy vọt trong công nghệ ngụy trang", trung tâm của công nghệ tiên tiến đã phát minh ra "một dạng tàng hình chủ động mới … Chỉ bằng một nút nhấn, các vật thể gần như vô hình, hòa trộn vào nền tảng của họ. " Theo BAE Systems, sự phát triển này đã "mang lại cho công ty một thập kỷ dẫn đầu về công nghệ tàng hình và có thể định nghĩa lại thế giới của kỹ thuật 'tàng hình'." Các khái niệm mới được thực hiện dựa trên vật liệu mới, không chỉ cho phép thay đổi màu sắc của chúng mà còn thay đổi cấu hình hồng ngoại, vi sóng và radar và hợp nhất các đối tượng với nền, khiến chúng gần như vô hình. Công nghệ này được xây dựng trong chính cấu trúc thay vì dựa trên việc sử dụng vật liệu bổ sung, chẳng hạn như sơn hoặc lớp kết dính. Công việc này đã dẫn đến việc đăng ký 9 bằng sáng chế và vẫn có thể cung cấp các giải pháp duy nhất cho các vấn đề quản lý chữ ký.
Hệ thống ngụy trang chủ động dựa trên công nghệ RPT với khả năng chiếu lên áo mưa phản quang
Biên giới tiếp theo: quang học biến đổi
Các hệ thống ngụy trang chủ động / thích ứng được mô tả trong bài viết này và dựa trên chiếu cảnh khá giống với khoa học viễn tưởng (và thực sự đây là cơ sở của bộ phim "Predator"), nhưng chúng không phải là một phần của công nghệ tiên tiến nhất được nghiên cứu trong tìm kiếm "vải liệm của người tàng hình." Thật vậy, các giải pháp khác đã được vạch ra, sẽ hiệu quả và thực tế hơn nhiều so với ngụy trang chủ động. Chúng dựa trên một hiện tượng được gọi là quang học biến đổi. Đó là, một số bước sóng, bao gồm cả ánh sáng nhìn thấy, có thể bị "bẻ cong" và chảy xung quanh một vật thể giống như nước bao bọc một viên đá. Kết quả là, các đối tượng phía sau đối tượng trở nên có thể nhìn thấy được, như thể ánh sáng truyền qua không gian trống, trong khi bản thân đối tượng biến mất khỏi tầm nhìn. Về lý thuyết, quang học biến đổi không chỉ có thể che giấu các đối tượng mà còn có thể làm cho chúng có thể nhìn thấy được ở những nơi không có.
Sơ đồ biểu diễn nguyên tắc tàng hình bằng phương pháp quang học biến đổi
Trình bày nghệ thuật về cấu trúc của một siêu vật liệu
Tuy nhiên, để điều này xảy ra, đối tượng hoặc khu vực phải được che đậy bằng cách sử dụng chất che phủ, bản thân nó phải không thể phát hiện được đối với sóng điện từ. Những công cụ này, được gọi là siêu vật liệu, sử dụng cấu trúc tế bào để tạo ra sự kết hợp của các đặc tính vật liệu không có sẵn trong tự nhiên. Những cấu trúc này có thể hướng sóng điện từ xung quanh một vật thể và khiến chúng xuất hiện ở phía bên kia.
Ý tưởng chung đằng sau siêu vật liệu như vậy là khúc xạ âm. Ngược lại, tất cả các vật liệu tự nhiên đều có chiết suất dương, một chỉ số cho biết mức độ sóng điện từ bị bẻ cong khi chúng truyền từ môi trường này sang môi trường khác. Một minh họa cổ điển về cách hoạt động của hiện tượng khúc xạ: một phần của thanh nhúng trong nước dường như bị uốn cong bên dưới bề mặt nước. Ngược lại, nếu nước có khúc xạ âm thì phần chìm của thanh sẽ nhô ra khỏi mặt nước. Hoặc, ví dụ khác, một con cá bơi dưới nước dường như đang di chuyển trong không khí trên mặt nước.
Siêu vật liệu tạo mặt nạ mới được Đại học Duke tiết lộ vào tháng 1 năm 2009
Hình ảnh kính hiển vi điện tử của một siêu vật liệu 3D đã hoàn thiện. Các bộ cộng hưởng nano vàng chia nhỏ được sắp xếp thành các hàng đều nhau
Chế độ xem giản đồ và kính hiển vi điện tử của một siêu vật liệu (mặt trên và mặt bên) được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley. Vật liệu được hình thành từ các dây nano song song nhúng bên trong alumin xốp. Khi ánh sáng nhìn thấy đi qua một vật liệu theo hiện tượng khúc xạ âm, nó bị lệch theo hướng ngược lại.
Để một siêu vật liệu có chiết suất âm, ma trận cấu trúc của nó phải nhỏ hơn độ dài của sóng điện từ được sử dụng. Ngoài ra, các giá trị của hằng số điện môi (khả năng truyền điện trường) và độ từ thẩm (cách nó phản ứng với từ trường) phải âm. Toán học không thể thiếu để thiết kế các tham số cần thiết để tạo ra siêu vật liệu và chứng minh rằng vật liệu đó đảm bảo khả năng tàng hình. Không có gì ngạc nhiên khi người ta đã đạt được nhiều thành công hơn khi làm việc với các bước sóng trong dải vi sóng rộng hơn, trong khoảng từ 1 mm đến 30 cm. và ánh sáng đỏ tươi) đến 700 nanomet (ánh sáng đỏ sẫm).
Sau lần đầu tiên chứng minh tính khả thi của siêu vật liệu vào năm 2006, khi nguyên mẫu đầu tiên được chế tạo, vào tháng 1 năm 2009, một nhóm kỹ sư tại Đại học Duke đã công bố một loại thiết bị che giấu mới, tiên tiến hơn nhiều trong việc che giấu trên một dải tần số rộng. Những tiến bộ mới nhất trong lĩnh vực này là do sự phát triển của một nhóm thuật toán phức tạp mới để tạo và sản xuất siêu vật liệu. Trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm gần đây, một chùm vi sóng được hướng qua một phương tiện che tới một "chỗ phồng" trên một mặt gương phẳng đã bị phản xạ từ bề mặt đó với cùng một góc như thể không có chỗ phồng. Ngoài ra, chất che phủ ngăn chặn sự hình thành các chùm phân tán, thường đi kèm với các biến đổi như vậy. Hiện tượng bên dưới lớp ngụy trang giống như ảo ảnh được nhìn thấy vào một ngày nắng nóng phía trước con đường.
Trong một chương trình song song và thực sự cạnh tranh, vào giữa năm 2008, các nhà khoa học của Đại học California đã công bố rằng họ đã tiên phong trong vật liệu 3-D có thể thay đổi hướng bình thường của ánh sáng trong quang phổ hồng ngoại nhìn thấy và gần. Các nhà nghiên cứu đã làm theo hai cách tiếp cận khác nhau. Trong thí nghiệm đầu tiên, họ xếp chồng lên nhau nhiều lớp bạc và magie florua không dẫn điện và cắt các dạng gọi là "lưới" nanomet thành nhiều lớp để tạo ra một siêu vật liệu quang học số lượng lớn. Khúc xạ âm được đo ở bước sóng 1500 nanomet. Siêu vật liệu thứ hai bao gồm các dây nano bạc kéo dài bên trong alumin xốp; nó có khúc xạ âm ở bước sóng 660 nanomet trong vùng màu đỏ của quang phổ.
Cả hai vật liệu đều đạt được khúc xạ âm, với lượng năng lượng bị hấp thụ hoặc bị "mất đi" khi ánh sáng truyền qua chúng là tối thiểu.
Left là một biểu diễn giản đồ của siêu vật liệu "lưới" 3-D đầu tiên được phát triển tại Đại học California có thể đạt được chiết suất âm trong quang phổ khả kiến. Bên phải là hình ảnh của cấu trúc đã hoàn thành từ kính hiển vi điện tử quét. Các lớp không liên tục tạo thành các đường viền nhỏ có thể làm lệch hướng ánh sáng trở lại
Cũng trong tháng 1 năm 2012, các nhà nghiên cứu tại Đại học Stuttgart thông báo rằng họ đã đạt được tiến bộ trong việc chế tạo một siêu vật liệu nhiều lớp, vòng phân chia cho các bước sóng quang học. Quy trình từng lớp này, có thể được lặp lại nhiều lần tùy thích, có khả năng tạo ra các cấu trúc ba chiều được căn chỉnh tốt từ siêu vật liệu. Chìa khóa của thành công này là một phương pháp phẳng hóa (san bằng) cho một bề mặt nanolithographic thô kết hợp với fiducials bền, chịu được quá trình khắc khô trong quá trình sản xuất nano. Kết quả là sự liên kết hoàn hảo cùng với các lớp hoàn toàn phẳng. Phương pháp này cũng thích hợp để sản xuất các hình dạng tự do trong mỗi lớp. Như vậy, có thể tạo ra các cấu trúc phức tạp hơn.
Chắc chắn, có thể cần nhiều nghiên cứu hơn nữa trước khi siêu vật liệu có thể được tạo ra có thể hoạt động trong quang phổ khả kiến, trong đó mắt người có thể nhìn thấy, và sau đó là các vật liệu thực tế phù hợp, ví dụ, cho quần áo. Nhưng ngay cả những vật liệu che phủ chỉ hoạt động ở một vài bước sóng cơ bản cũng có thể mang lại những lợi ích to lớn. Chúng có thể làm cho hệ thống nhìn đêm không hiệu quả và các vật thể không thể nhìn thấy được, chẳng hạn như các tia laze dùng để dẫn đường cho vũ khí.
Khái niệm làm việc
Các hệ thống quang điện tử nhẹ đã được đề xuất dựa trên các thiết bị hình ảnh và màn hình hiện đại làm cho các đối tượng được chọn gần như trong suốt và do đó hầu như không nhìn thấy được. Các hệ thống này được gọi là hệ thống ngụy trang chủ động hoặc thích ứng vì thực tế là, không giống như ngụy trang truyền thống, chúng tạo ra hình ảnh có thể thay đổi để phản ứng với những thay đổi của cảnh và điều kiện ánh sáng.
Chức năng chính của hệ thống ngụy trang thích ứng là chiếu cảnh (nền) phía sau đối tượng lên bề mặt của đối tượng gần với người xem nhất. Nói cách khác, cảnh (nền) phía sau đối tượng được vận chuyển và hiển thị trong các tấm phía trước đối tượng.
Một hệ thống ngụy trang chủ động điển hình rất có thể sẽ là một mạng lưới các màn hình phẳng linh hoạt được sắp xếp dưới dạng một số loại chăn sẽ che phủ tất cả các bề mặt có thể nhìn thấy của đối tượng cần ngụy trang. Mỗi bảng hiển thị sẽ chứa một cảm biến pixel hoạt động (APS) hoặc có thể là một bộ hình ảnh nâng cao khác, sẽ hướng về phía trước của bảng và sẽ chiếm một phần nhỏ diện tích bảng. "Khăn phủ bàn" cũng sẽ chứa một khung dây hỗ trợ mạng lưới các sợi quang liên kết chéo, qua đó hình ảnh từ mỗi APS sẽ được truyền đến một bảng hiển thị bổ sung ở phía đối diện của vật thể được che.
Vị trí và hướng của tất cả các thiết bị hình ảnh sẽ được đồng bộ hóa với vị trí và hướng của một cảm biến, sẽ được xác định bởi hình ảnh chính (cảm biến). Hướng sẽ được xác định bởi một công cụ san lấp mặt bằng được điều khiển bởi cảm biến hình ảnh chính. Bộ điều khiển trung tâm được kết nối với đồng hồ đo ánh sáng bên ngoài sẽ tự động điều chỉnh mức độ sáng của tất cả các bảng hiển thị để phù hợp với điều kiện ánh sáng xung quanh. Mặt dưới của đối tượng được che sẽ được chiếu sáng nhân tạo để hình ảnh của đối tượng được che từ phía trên hiển thị mặt đất như thể nó được chiếu sáng tự nhiên; nếu điều này không đạt được, thì người quan sát sẽ nhìn thấy sự không đồng nhất và rời rạc rõ ràng của các bóng đối với người quan sát khi nhìn từ trên xuống dưới.
Các bảng hiển thị có thể được định kích thước và cấu hình để có thể sử dụng tổng số các bảng này để che các đối tượng khác nhau mà không cần phải sửa đổi chính các đối tượng đó. Kích thước và khối lượng của các hệ thống điển hình và hệ thống con ngụy trang thích ứng được ước tính: thể tích của một cảm biến hình ảnh điển hình sẽ nhỏ hơn 15 cm3, trong khi một hệ thống che phủ một vật thể dài 10 m, cao 3 m và rộng 5 m sẽ có khối lượng dưới 45 kg. Nếu đối tượng cần che giấu là một chiếc xe, thì hệ thống ngụy trang thích ứng có thể được kích hoạt dễ dàng bởi hệ thống điện của xe mà không có bất kỳ tác động tiêu cực nào đến hoạt động của nó.
Một giải pháp thú vị để ngụy trang thích ứng các thiết bị quân sự Thích ứng từ Hệ thống BAE
