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.

Давайте посмотрим за развитием подобного рода технологий…

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

 

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.

 

 

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.

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

 

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.

 

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

Технологические вопросы

Камеры

Некоторые предложенные системы активного камуфляжа имеют камеры установленные прямо на маскируемом объекте, а некоторые системы имеют дистанционные ИК-камеры. Если схема системы такова, что камера должна устанавливаться прямо на маскируемый объект, то накладывается одно ограничение – камера должна быть либо активно закамуфлирована, либо быть достаточно маленькой. В настоящее время потребителям доступны множество моделей микрокамер, из них некоторые коммерческие миниатюрные цветные камеры могут подойти для определенных типов систем активного камуфляжа.

Разрешение и формирование изображения

При определении необходимого разрешения дисплея, необходимо принимать во внимание расстояние от дисплея до зрителя. Если наблюдатель находится всего в 2 метрах, тогда разрешение не должно намного превышать детализацию человеческого зрения на этой дистанции, то есть примерно 289 пикселей на см2. Если наблюдатель находится дальше (что обычно), то разрешение можно сделать ниже без ущерба для качества маскировки.

Кроме того, визуализация должна учитывать то, как меняется поле зрения наблюдателей в зависимости от расстояния, на котором они находятся от экрана. Например, человек, смотрящий на дисплей с расстояния 20 метров, может увидеть больше из того, что находится за дисплеем по сравнению с человеком, находящимся на расстоянии 5 метров. Следовательно, система должна определять с какого места смотрит наблюдатель, для того, чтобы подогнать изображение или размер изображения и определить его края.

Одним из решений по визуализации является создание 3-D цифровой модели окружающего пространства. Предполагается, что цифровая модель будет создаваться в реальном времени, так как вероятнее всего будет нецелесообразно досрочно моделировать местоположения реального мира. Стереоскопическая пара камер позволит системе определять местоположение, цвет и яркость. Процесс, названный визуализацией методом бегущего луча, предложен с целью перевода модели в 2-D изображение на дисплее.

 

Дисплеи

Технологии гибких дисплеев разрабатывались более 20 лет. Были предложены многочисленные методы в попытке создать более гибкий, прочный, дешевый дисплей, также имеющий адекватное разрешение, контрастность, цветность, угол обзора и частоту обновления. В настоящее время, разработчики гибких дисплеев изучают требования потребителей с целью определения самой подходящей технологии вместо того, чтобы предложить единственное лучшее решение для всех приложений. Список имеющихся решений включает технологию световозвращающего проецирования RPT (Retro-reflective Projection Technology), органические светодиоды OLED (Organic Light Emitting Diodes), ЖК-дисплеи LCD (Liquid Crystal Displays),тонкопленочные транзисторы TFT (Thin Film Transistor) и электронную бумагу E-Paper.

Современные стандартные дисплеи (включая гибкие) предназначены только для прямого обзора. Следовательно, также должна быть разработана система, чтобы изображение было хорошо видно под различными углами. Одним из решений мог бы стать дисплей на основе массива полусферических линз. Также, в зависимости от положения солнца и наблюдателя, дисплей может быть значительно ярче или темнее окружающего пространства. Если имеется два наблюдателя, необходимо два разных уровня яркости.

В связи со всеми этими факторами, существуют большие ожидания от будущего развития нанотехнологий.

Технологические ограничения

В настоящее время, многочисленные технологические ограничения сдерживают производство систем активного камуфляжа для солдатских систем. Хотя некоторые из этих ограничений активно преодолеваются с предполагаемым решением в течение 5 – 15 лет (например, гибкие дисплеи), существуют еще несколько заметных препятствий, за которые еще необходимо преодолеть. Некоторые из них упомянуты ниже.

Яркость дисплеев. Одним из ограничений систем активного камуфляжа на базе дисплеев является недостаточная яркость для работы в условиях дневного освещения. Средняя яркость чистого неба составляет 150 Вт/м2 и большая часть дисплеев выглядят пустыми при полном дневном освещении. Будет необходим более яркий дисплей (с люминесценцией близкой к той, что есть в светофоре), что не является обязательным требованием в других областях разработки (например, компьютерные мониторы и информационные дисплеи не должны быть такими яркими). Следовательно, яркость дисплеев может стать тем направлением, которое будет сдерживать разработку активного камуфляжа. Кроме того, солнце в 230000 раз интенсивнее окружающего неба. Должны быть разработаны дисплеи равные по яркости солнцу для того, чтобы при прохождении системы перед солнцем она не выглядела подернутой дымкой или имела какие-то тени.

Вычислительные мощности. Основные ограничения активного управления изображением и его постоянного обновления с целью непрерывного обновления (незаметности) для человеческого глаза заключаются в том, что необходимо мощное программное обеспечение и большой размер памяти в управляющих микропроцессорах. Также, если учесть, что мы рассматриваем 3-D модель, которая должна строиться в реальном времени на основе методов получения изображений от камер, программное обеспечение и характеристики управляющих микропроцессоров могут стать главным ограничением. Кроме того, если мы хотим, чтобы эта система была автономной и переносилась солдатом, то переносной компьютер должен быть легким, небольшим и достаточно гибким.

Питание от батарей. Если принять во внимание яркость и размеры дисплея, а также необходимые вычислительные мощности, то современные батареи оказываются слишком тяжелыми и быстро разряжающимися. Если эта система должна переноситься солдатом на поле боя, необходимо разработать более легкие батареи большей емкости.
Положение камер и проекторов. Если рассматривать технологию RPT, то здесь значительным ограничением является то, что камеры и проекторы необходимо будет позиционировать заранее, и только для одного наблюдателя противника и что этому наблюдателю будет необходимо позиционироваться в точном положении перед камерой. Вряд ли это все будет соблюдаться на поле боя.

Камуфляж становится цифровым

В ожидании экзотических технологий, которые дадут возможность разработать истинный «покров невидимости», новейшим и значительным прогрессом в области камуфляжа является внедрение так называемых цифровых паттернов (шаблонов).

«Цифровой камуфляж» описывает микропаттерн (микрошаблон), формируемый некоторым количеством малых прямоугольных пикселей различных цветов (в идеале до шести, но обычно из соображений стоимости не более четырех). Эти микрошаблоны могут быть шестиугольными или круглыми или четырехугольными, они воспроизводятся в различных последовательностях по всей поверхности, будь это ткань или пластик или метал. Различные шаблонные поверхности схожи с цифровыми точками, которые формируют целостное изображение цифровой фотографии, но организованы они таким образом, чтобы размыть очертания и форму объекта.

 

В настоящее время существует еще один подход… Исследователи из университета Ренселайера и Райса получили самый темный материал, когда-либо созданный человеком. Материал представляет собой тонкое покрытие, состоящее из разряженных массивов свободно выровненных карбоновых нанотрубок; он имеет общий показатель отражения 0,045%, то есть поглощает 99,955% падающего на него света. Как таковой, материал подходит очень близко к так называемому «суперчерному» объекту, который может быть фактически невидимым. На фото показано как новый материал с отражающей способностью 0,045% (в центре), значительно темнее 1,4% стандарта отражательной способности NIST (слева) и куска стекловидного углерода (справа)

Вывод

Системы активного камуфляжа для пехотинцев могли бы значительно помочь в скрытых операциях, особенно учитывая, что военные операции в городском пространстве становятся все более превалирующими. Традиционные камуфляжные системы сохраняют один цвет и форму, впрочем, в городском пространстве оптимальные цвета и шаблоны могут постоянно меняться каждую минуту.

Стремление только к одной возможной системе активного камуфляжа не представляется достаточно адекватным с целью проведения необходимой и дорогой разработки технологии дисплеев, вычислительных мощностей и мощности батарей. Впрочем, в связи с тем, что все это потребуется в других приложениях, вполне предсказуемо, что промышленность может разработать технологии, которые легко будут адаптированы для систем активного камуфляжа в будущем.

Тем временем, могут быть разработаны более простые системы, которые не дают в результате совершенной невидимости. Например, система, которая активно обновляет примерный цвет, будет более полезной по сравнению с существующими камуфляжными системами, вне зависимости от того, отображается ли идеальное изображение. Также, учитывая то, что система активного камуфляжа может быть более всего оправдана, когда позиция наблюдателя точно известна, можно предположить, что в самых ранних решениях могут быть использована для камуфляжа одиночная стационарная камера или детектор. Впрочем, в настоящее время доступно большое количество сенсоров и детекторов, не работающих в видимом спектре. Тепловой микроболометр или чувствительный сенсор, например, могут легко определить объект, маскируемый визуальным активным камуфляжем.