Een artistieke weergave van een toekomstig gevechtsvoertuig beschermd door een actief camouflagesysteem
Momenteel worden verkennings- en infiltratieoperaties van de infanterie uitgevoerd met een conventionele camouflage die is ontworpen om een soldaat te camoufleren met behulp van twee hoofdelementen: kleur en patroon (camouflagepatroon). Militaire operaties in stedelijke omgevingen komen echter steeds vaker voor, waarbij de optimale kleur en patroon continu, zelfs elke minuut, kunnen veranderen. Een soldaat die een groen uniform draagt, zal bijvoorbeeld duidelijk afsteken tegen een witte muur. Een actief camouflagesysteem kan de kleur en het patroon constant bijwerken, waardoor de soldaat in zijn huidige omgeving wordt verborgen
De natuur gebruikt al miljoenen jaren actief adaptieve camouflage-"systemen". Zie je de kameleon op deze foto?
Vereenvoudigde weergave van het werkingsprincipe van actief-adaptieve camouflage met behulp van het voorbeeld van MBT
Dit artikel geeft een overzicht van huidige en geprojecteerde actieve (adaptieve) camouflagesystemen. Hoewel er tal van toepassingen voor deze systemen zijn of in ontwikkeling zijn, ligt de focus van het onderzoek op systemen die kunnen worden gebruikt bij infanterieoperaties. Daarnaast is het doel van deze onderzoeken om informatie te verschaffen die wordt gebruikt om de huidige toepasbaarheid van actieve camouflagesystemen te beoordelen en om toekomstige systemen te helpen ontwerpen.
Definities en basisconcepten
Actieve camouflage in het zichtbare spectrum verschilt op twee manieren van conventionele camouflage. Ten eerste vervangt het het uiterlijk van wat wordt gemaskeerd door een uiterlijk dat niet alleen lijkt op de omgeving (zoals traditionele maskering), maar ook nauwkeurig weergeeft wat zich achter het object bevindt dat wordt gemaskeerd.
Ten tweede doet actieve camouflage dit ook in realtime. Idealiter zou actieve camouflage niet alleen objecten in de buurt kunnen nabootsen, maar ook verre objecten, mogelijk tot aan de horizon, waardoor een perfecte visuele camouflage ontstaat. Visueel actieve camouflage kan worden gebruikt om het vermogen van het menselijk oog en optische sensoren om de aanwezigheid van doelen te herkennen uit te schakelen.
Er zijn veel voorbeelden van actieve camouflagesystemen in fictie, en ontwikkelaars kiezen vaak een naam voor een technologie op basis van enkele termen en namen uit fictie. Ze verwijzen over het algemeen naar volledige actieve camouflage (d.w.z. volledige onzichtbaarheid) en verwijzen niet naar de mogelijkheden van gedeeltelijke actieve camouflage, actieve camouflage voor speciale operaties of een van de huidige technologische vooruitgang in de echte wereld. Volledige onzichtbaarheid zal echter zeker nuttig zijn voor infanterieoperaties, zoals verkennings- en infiltratieoperaties.
Camouflage wordt niet alleen gebruikt in het visuele spectrum, maar ook in de akoestiek (bijvoorbeeld sonar), het elektromagnetische spectrum (bijvoorbeeld radar), thermisch veld (bijvoorbeeld infraroodstraling) en voor het veranderen van de vorm van een object. Camouflagetechnologieën, waaronder enkele actieve camouflages, zijn tot op zekere hoogte ontwikkeld voor al deze typen, vooral voor voertuigen (land, zee en lucht). Hoewel dit werk voornamelijk betrekking heeft op visuele camouflage voor een gedemonteerde infanterist, is het nuttig om kort oplossingen op andere gebieden te noemen, aangezien sommige technologische ideeën kunnen worden overgedragen naar het zichtbare spectrum.
Visuele camouflage. Visuele camouflage bestaat uit vorm, oppervlak, glans, silhouet, schaduw, positie en beweging. Een actief camouflagesysteem kan al deze aspecten bevatten. Dit artikel is gericht op visueel actieve camouflage, dus deze systemen worden in de volgende paragrafen beschreven.
Akoestische camouflage (bijv. sonar). Sinds de jaren veertig hebben veel landen geëxperimenteerd met geluidsabsorberende oppervlakken om de sonarreflecties van onderzeeërs te verminderen. Pistoolstoringstechnologieën zijn een soort akoestische camouflage. Bovendien is actieve ruisonderdrukking een nieuwe trend die mogelijk zou kunnen evolueren naar akoestische camouflage. Actieve ruisonderdrukkende hoofdtelefoons zijn momenteel beschikbaar voor de consument. De zogenaamde Near-Field Active Noise Suppression-systemen worden ontwikkeld, die in het akoestische nabije veld worden geplaatst om voornamelijk het tonale geluid van de propellers actief te minimaliseren. Er wordt voorspeld dat veelbelovende systemen voor lange afstand akoestische velden kunnen worden ontwikkeld om de acties van de infanterie te maskeren.
Elektromagnetische camouflage (zoals radar). Radarcamouflagenetten combineren speciale coatings en microvezeltechnologie om breedbandradardemping van meer dan 12 dB te bieden. Het gebruik van optionele thermische coatings vergroot de infraroodbescherming.
Het BMS-ULCAS (Multispectral Ultra Lightweight Camouflage Screen) van Saab Barracuda maakt gebruik van een speciaal materiaal dat aan het basismateriaal is bevestigd. Het materiaal vermindert de detectie van breedbandradar en verkleint ook het zichtbare en infrarode frequentiebereik. Elk scherm is speciaal ontworpen voor de apparatuur die het beschermt.
Camouflage uniformen. In de toekomst kan actieve camouflage het te verhullen object bepalen om het aan te passen aan de vorm van de ruimte. Deze technologie staat bekend als SAD (Shape Approximation Device) en heeft het potentieel om vormdetectie te verminderen. Een van de meest overtuigende voorbeelden van uniforme camouflage is de octopus, die niet alleen kan opgaan in zijn omgeving door van kleur te veranderen, maar ook door de vorm en textuur van zijn huid te veranderen.
Thermische camouflage (bijv. infrarood). Er wordt een materiaal ontwikkeld dat de warmtesignatuur van de blote huid verzwakt door warmteafgifte te verspreiden met behulp van verzilverde holle keramische ballen (senosferen), met een gemiddelde diameter van 45 micron, ingebed in een bindmiddel om een pigment met lage emissie- en diffusie-eigenschappen te creëren. De microbeads werken als een spiegel, reflecteren de omringende ruimte en elkaar, en verdelen zo de warmtestraling van de huid.
Multispectrale camouflage. Sommige camouflagesystemen zijn multispectraal, wat betekent dat ze voor meer dan één camouflagetype werken. Saab Barracuda heeft bijvoorbeeld een High Mobility on-Board System (HMBS) multispectraal camouflageproduct ontwikkeld dat artilleriestukken beschermt tijdens het afvuren en opnieuw inzetten. Signature-reducties tot 90% zijn mogelijk, en de onderdrukking van thermische straling zorgt ervoor dat motoren en generatoren stationair kunnen draaien voor een snelle start. Sommige systemen hebben een dubbelzijdige coating, waardoor soldaten dubbelzijdige camouflage kunnen dragen voor gebruik op verschillende soorten terrein.
Eind 2006 kondigde BAE Systems aan wat werd beschreven als "een sprong voorwaarts in camouflagetechnologie", in het centrum van geavanceerde technologie uitgevonden "een nieuwe vorm van actieve stealth … Met een druk op de knop worden objecten vrijwel onzichtbaar, vermengd met naar hun achtergrond." Volgens BAE Systems gaf de ontwikkeling "het bedrijf een decennium van leiderschap in stealth-technologie en zou de wereld van 'stealth'-engineering opnieuw kunnen definiëren." Nieuwe concepten werden geïmplementeerd op basis van nieuwe materialen, waardoor niet alleen hun kleuren kunnen worden gewijzigd, maar ook het infrarood-, microgolf- en radarprofiel kan worden verschoven en objecten kunnen worden samengevoegd met de achtergrond, waardoor ze bijna onzichtbaar zijn. Deze technologie is ingebouwd in de structuur zelf en is niet gebaseerd op het gebruik van extra materiaal, zoals verf of een lijmlaag. Dit werk heeft al geleid tot de registratie van 9 patenten en biedt mogelijk nog steeds unieke oplossingen voor problemen met handtekeningbeheer.
Actief camouflagesysteem op basis van RPT-technologie met projectie op een reflecterende regenjas
De volgende grens: transformatie-optica
De actieve / adaptieve camouflagesystemen die in dit artikel worden beschreven en gebaseerd zijn op scèneprojectie, lijken op zichzelf behoorlijk op sciencefiction (en dit was inderdaad de basis van de film "Predator"), maar ze maken geen deel uit van de meest geavanceerde technologie die is onderzocht in de zoekopdracht " lijkwade van onzichtbaarheid. " Er zijn inderdaad al andere oplossingen geschetst, die veel effectiever en praktischer zullen zijn in vergelijking met actieve camouflage. Ze zijn gebaseerd op een fenomeen dat bekend staat als transformatie-optica. Dat wil zeggen, sommige golflengten, inclusief zichtbaar licht, kunnen worden "gebogen" en rond een object stromen zoals water dat een steen omhult. Hierdoor worden objecten achter het object zichtbaar, alsof licht door de lege ruimte gaat, terwijl het object zelf uit het zicht verdwijnt. In theorie kan transformatie-optiek niet alleen objecten maskeren, maar ze ook zichtbaar maken waar ze niet zijn.
Schematische weergave van het onzichtbaarheidsprincipe door middel van transformatie-optica
Artistieke weergave van de structuur van een metamateriaal
Om dit te laten gebeuren, moet het object of gebied echter worden gemaskeerd met een verhulmiddel, dat zelf niet detecteerbaar moet zijn voor elektromagnetische golven. Deze gereedschappen, metamaterialen genaamd, gebruiken celstructuren om een combinatie van materiaalkenmerken te creëren die in de natuur niet beschikbaar zijn. Deze structuren kunnen elektromagnetische golven rond een object sturen en ervoor zorgen dat ze aan de andere kant verschijnen.
Het algemene idee achter dergelijke metamaterialen is negatieve breking. Daarentegen hebben alle natuurlijke materialen een positieve brekingsindex, een indicator van hoeveel elektromagnetische golven worden gebogen als ze van het ene medium naar het andere gaan. Een klassieke illustratie van hoe breking werkt: een deel van een stok ondergedompeld in water lijkt onder het wateroppervlak te zijn gebogen. Als het water een negatieve breking had, zou het ondergedompelde deel van de stok daarentegen uitsteken uit het wateroppervlak. Of, voor een ander voorbeeld, een onder water zwemmende vis lijkt in de lucht boven het wateroppervlak te bewegen.
Nieuw maskeermetamateriaal onthuld door Duke University in januari 2009
Een elektronenmicroscoopbeeld van een afgewerkt 3D-metamateriaal. Gesplitste gouden nanoring-resonatoren zijn in even rijen gerangschikt
Schematische weergave en elektronenmicroscoop van een metamateriaal (boven- en zijkant) ontwikkeld door onderzoekers van de University of California, Berkeley. Het materiaal is gevormd uit parallelle nanodraden die zijn ingebed in poreus aluminiumoxide. Wanneer zichtbaar licht door een materiaal gaat volgens het fenomeen van negatieve breking, wordt het in de tegenovergestelde richting afgebogen.
Om ervoor te zorgen dat een metamateriaal een negatieve brekingsindex heeft, moet de structurele matrix kleiner zijn dan de lengte van de gebruikte elektromagnetische golf. Bovendien moeten de waarden van diëlektrische constante (het vermogen om een elektrisch veld uit te zenden) en magnetische permeabiliteit (hoe het reageert op een magnetisch veld) negatief zijn. Wiskunde is een integraal onderdeel van het ontwerpen van de parameters die nodig zijn om metamaterialen te maken en aan te tonen dat het materiaal onzichtbaarheid garandeert. Het is niet verwonderlijk dat er meer succes is geboekt bij het werken met golflengten in het bredere microgolfbereik, dat varieert van 1 mm tot 30 cm. Mensen zien de wereld in een smal bereik van elektromagnetische straling, bekend als zichtbaar licht, met golflengten van 400 nanometer (violet en magenta licht) tot 700 nanometer (donkerrood licht).
Na de eerste demonstratie van de haalbaarheid van het metamateriaal in 2006, toen het eerste prototype werd gebouwd, kondigde een team van ingenieurs aan de Duke University in januari 2009 een nieuw type verhulapparaat aan, veel geavanceerder in verhulling over een breed spectrum van frequenties. De nieuwste ontwikkelingen op dit gebied zijn te danken aan de ontwikkeling van een nieuwe groep complexe algoritmen voor het maken en produceren van metamaterialen. In recente laboratoriumexperimenten werd een bundel microgolven die door een maskeringsmiddel naar een "uitstulping" op een vlak spiegeloppervlak was gericht, onder dezelfde hoek vanaf het oppervlak gereflecteerd alsof er geen uitstulping was. Bovendien verhinderde het verhulmiddel de vorming van verstrooide bundels, die gewoonlijk met dergelijke transformaties gepaard gaan. Het fenomeen dat ten grondslag ligt aan de camouflage lijkt op een luchtspiegeling die wordt gezien op een warme dag voor de weg.
In een parallel en echt concurrerend programma kondigden de wetenschappers van de Universiteit van Californië medio 2008 aan dat ze pioniers waren met 3D-materialen die de normale richting van het licht in het zichtbare en nabij-infraroodspectra konden veranderen. De onderzoekers volgden twee verschillende benaderingen. In het eerste experiment stapelden ze verschillende afwisselende lagen zilver en niet-geleidend magnesiumfluoride op elkaar en sneden de zogenaamde nanometrische "mesh" -patronen in lagen om een bulk optisch metamateriaal te creëren. Negatieve breking werd gemeten bij golflengten van 1500 nanometer. Het tweede metamateriaal bestond uit zilveren nanodraden die in poreus aluminiumoxide waren gespannen; het had een negatieve breking bij golflengten van 660 nanometer in het rode gebied van het spectrum.
Beide materialen bereikten een negatieve breking, waarbij de hoeveelheid geabsorbeerde of "verloren" energie terwijl het licht er doorheen ging minimaal was.
Links is een schematische weergave van het eerste 3D "mesh" metamateriaal ontwikkeld aan de Universiteit van Californië dat een negatieve brekingsindex in het zichtbare spectrum kan bereiken. Aan de rechterkant is het beeld van de voltooide structuur van een scanning elektronenmicroscoop. Intermitterende lagen vormen kleine contouren die licht terug kunnen buigen
Eveneens in januari 2012 kondigden onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart aan dat ze vooruitgang hadden geboekt bij de fabricage van een meerlaags metamateriaal met gespleten ringen voor optische golflengten. Deze laag-voor-laag procedure, die zo vaak als gewenst kan worden herhaald, is in staat om goed uitgelijnde driedimensionale structuren te creëren uit metamaterialen. De sleutel tot dit succes was een planariseringsmethode (nivellering) voor een ruw nanolithografisch oppervlak in combinatie met duurzame fiducials die bestand zijn tegen droge etsprocessen tijdens de nanoproductie. Het resultaat was een perfecte uitlijning samen met absoluut vlakke lagen. Deze methode is ook geschikt voor de productie van vrije vormen in elke laag. Zo is het mogelijk om complexere structuren te creëren.
Zeker, er kan nog veel meer onderzoek nodig zijn voordat metamaterialen kunnen worden gemaakt die kunnen werken in het zichtbare spectrum, waarin het menselijk oog kan zien, en dan praktische materialen die geschikt zijn voor bijvoorbeeld kleding. Maar zelfs verhulmaterialen die op slechts een paar fundamentele golflengten werken, kunnen enorme voordelen bieden. Ze kunnen nachtzichtsystemen ondoeltreffend maken en objecten onzichtbaar maken, bijvoorbeeld voor laserstralen die worden gebruikt om wapens te geleiden.
Werkconcept
Er zijn lichtgewicht opto-elektronische systemen voorgesteld op basis van moderne beeldvormende apparaten en displays die geselecteerde objecten bijna transparant en dus vrijwel onzichtbaar maken. Deze systemen worden actieve of adaptieve camouflagesystemen genoemd omdat ze, in tegenstelling tot traditionele camouflage, beelden genereren die kunnen veranderen als reactie op veranderingen in scènes en lichtomstandigheden.
De belangrijkste functie van het adaptieve camouflagesysteem is om de scène (achtergrond) achter het object te projecteren op het oppervlak van het object dat zich het dichtst bij de kijker bevindt. Met andere woorden, de scène (achtergrond) achter het onderwerp wordt getransporteerd en weergegeven in panelen voor het onderwerp.
Een typisch actief camouflagesysteem is hoogstwaarschijnlijk een netwerk van flexibele platte beeldschermen die zijn gerangschikt in de vorm van een soort deken die alle zichtbare oppervlakken van het te camoufleren object zal bedekken. Elk weergavepaneel zal een actieve pixelsensor (APS) bevatten, of mogelijk een andere geavanceerde imager, die voor het paneel wordt gericht en een klein deel van het paneelgebied in beslag neemt. De "coverlet" zal ook een draadframe bevatten dat een netwerk van verknoopte optische vezels ondersteunt waardoor het beeld van elke APS zal worden verzonden naar een extra weergavepaneel aan de andere kant van het gemaskeerde object.
De positie en oriëntatie van alle beeldvormende apparaten wordt gesynchroniseerd met de positie en oriëntatie van één sensor, die wordt bepaald door de hoofdimager (sensor). De oriëntatie wordt bepaald door een waterpasinstrument dat wordt bestuurd door de hoofdbeeldsensor. Een centrale controller die is aangesloten op een externe lichtmeter, past automatisch de helderheidsniveaus van alle displaypanelen aan het omgevingslicht aan. De onderkant van het gemaskeerde object wordt kunstmatig verlicht, zodat het beeld van het gemaskeerde object van bovenaf de grond laat zien alsof het natuurlijk verlicht is; als dit niet wordt bereikt, zal de duidelijke heterogeniteit en discretie van de schaduwen zichtbaar zijn voor de waarnemer die van boven naar beneden kijkt.
Displaypanelen kunnen zo worden bemeten en geconfigureerd dat een totaal van deze panelen kan worden gebruikt om verschillende objecten te maskeren zonder de objecten zelf te hoeven wijzigen. De grootte en massa van typische systemen en subsystemen van adaptieve camouflage werd geschat: het volume van een typische beeldsensor zal minder dan 15 cm3 zijn, terwijl een systeem dat een object van 10 m lang, 3 m hoog en 5 m breed verhult een massa van minder dan 45 kg. Als het te verhullen object een voertuig is, kan het adaptieve camouflagesysteem eenvoudig worden geactiveerd door het elektrische systeem van het voertuig zonder dat dit nadelige gevolgen heeft voor de werking ervan.
Een interessante oplossing voor adaptieve camouflage van militaire uitrusting Adaptive van BAE Systems
