Eine künstlerische Darstellung eines zukünftigen Kampffahrzeugs, geschützt durch ein aktives Tarnungssystem
Derzeit werden Aufklärungs- und Infiltrationsoperationen der Infanterie mit einer herkömmlichen Tarnung durchgeführt, die einen Soldaten mit zwei Hauptelementen tarnen soll: Farbe und Muster (Tarnmuster). Immer häufiger werden jedoch Militäreinsätze in urbanen Umgebungen, bei denen sich die optimale Farbe und das optimale Muster kontinuierlich ändern können, sogar jede Minute. Zum Beispiel hebt sich ein Soldat in grüner Uniform deutlich von einer weißen Wand ab. Ein aktives Tarnungssystem könnte Farbe und Muster ständig aktualisieren und den Soldaten in seiner aktuellen Umgebung verstecken
Die Natur verwendet seit Millionen von Jahren aktiv adaptive Tarnsysteme. Siehst du das Chamäleon auf diesem Foto?
Vereinfachte Darstellung des Funktionsprinzips der aktiv-adaptiven Tarnung am Beispiel von MBT
Dieser Artikel gibt einen Überblick über aktuelle und geplante aktive (adaptive) Tarnsysteme. Während es zahlreiche Anwendungen für diese Systeme gibt oder sich in der Entwicklung befindet, liegt der Forschungsschwerpunkt auf Systemen, die in Infanterieoperationen eingesetzt werden könnten. Darüber hinaus sollen diese Studien Informationen liefern, die dazu dienen, die aktuelle Anwendbarkeit aktiver Tarnsysteme zu bewerten und bei der Gestaltung zukünftiger Systeme mitzuwirken.
Definitionen und Grundbegriffe
Aktive Tarnung im sichtbaren Spektrum unterscheidet sich in zweierlei Hinsicht von konventioneller Tarnung. Erstens ersetzt es das Erscheinungsbild des Maskierten durch ein Erscheinungsbild, das nicht nur der Umgebung ähnelt (wie bei der traditionellen Maskierung), sondern auch genau das darstellt, was sich hinter dem maskierten Objekt befindet.
Zweitens tut die aktive Tarnung dies auch in Echtzeit. Im Idealfall könnte aktive Tarnung nicht nur nahe Objekte imitieren, sondern auch weit entfernte, möglicherweise bis zum Horizont, wodurch eine perfekte visuelle Tarnung entsteht. Visuelle aktive Tarnung kann verwendet werden, um die Fähigkeit des menschlichen Auges und der optischen Sensoren zu deaktivieren, das Vorhandensein von Zielen zu erkennen.
Es gibt viele Beispiele für aktive Tarnsysteme in der Fiktion, und Entwickler wählen oft einen Namen für eine Technologie, der auf einigen Begriffen und Namen aus der Fiktion basiert. Sie beziehen sich im Allgemeinen auf vollständige aktive Tarnung (d. h. vollständige Unsichtbarkeit) und beziehen sich nicht auf die Fähigkeiten der teilweise aktiven Tarnung, der aktiven Tarnung für spezielle Operationen oder eines der aktuellen technologischen Fortschritte in der realen Welt. Für Infanterieoperationen wie Aufklärungs- und Infiltrationsoperationen wird jedoch völlige Unsichtbarkeit sicherlich nützlich sein.
Tarnung wird nicht nur im visuellen Spektrum verwendet, sondern auch in der Akustik (zB Sonar), dem elektromagnetischen Spektrum (zB Radar), Wärmefeld (zB Infrarotstrahlung) und zur Formänderung eines Objekts. Für alle diese Typen, insbesondere für Fahrzeuge (Land-, See- und Luftfahrzeuge), wurden in gewissem Umfang Tarntechnologien, darunter auch einige aktive Tarnungen, entwickelt. Während sich diese Arbeit hauptsächlich auf die visuelle Tarnung eines abgesessenen Infanteristen bezieht, ist es sinnvoll, Lösungen in anderen Bereichen kurz zu erwähnen, da einige technologische Ideen auf das sichtbare Spektrum übertragen werden können.
Visuelle Tarnung. Visuelle Tarnung besteht aus Form, Oberfläche, Glanz, Silhouette, Schatten, Position und Bewegung. Ein aktives Tarnsystem kann all diese Aspekte beinhalten. Dieser Artikel konzentriert sich auf visuell aktive Tarnung, daher werden diese Systeme in den folgenden Unterabschnitten detailliert beschrieben.
Akustische Tarnung (z. B. Sonar). Seit den 1940er Jahren haben viele Länder mit schallabsorbierenden Oberflächen experimentiert, um die Sonarreflexionen von U-Booten zu reduzieren. Gun Jamming-Technologien sind eine Art akustische Tarnung. Darüber hinaus ist die aktive Geräuschunterdrückung ein neuer Trend, der sich möglicherweise zu einer akustischen Tarnung entwickeln könnte. Kopfhörer mit aktiver Geräuschunterdrückung stehen dem Verbraucher derzeit zur Verfügung. Es werden sogenannte Near-Field Active Noise Suppression-Systeme entwickelt, die im akustischen Nahfeld platziert werden, um vor allem das tonale Geräusch der Propeller aktiv zu minimieren. Es wird vorhergesagt, dass vielversprechende Systeme für weitreichende akustische Felder entwickelt werden könnten, um die Aktionen der Infanterie zu maskieren.
Elektromagnetische Tarnung (wie Radar). Radar-Tarnnetze kombinieren spezielle Beschichtungen und Mikrofaser-Technologie, um eine Breitband-Radardämpfung von über 12 dB zu bieten. Der Einsatz optionaler Thermobeschichtungen erweitert den Infrarotschutz.
Beim BMS-ULCAS (Multispectral Ultra Lightweight Camouflage Screen) von Saab Barracuda kommt ein spezielles Material zum Einsatz, das mit dem Grundmaterial verbunden wird. Das Material reduziert die Erkennung von Breitbandradar und engt auch den sichtbaren und infraroten Frequenzbereich ein. Jeder Bildschirm wurde speziell für die Geräte entwickelt, die er schützt.
Tarnuniformen. Zukünftig kann aktive Tarnung das zu tarnende Objekt bestimmen, um es der Raumform anzupassen. Diese Technologie ist als SAD (Shape Approximation Device) bekannt und hat das Potenzial, die Formerkennungsfähigkeit zu reduzieren. Eines der überzeugendsten Beispiele für eine einheitliche Tarnung ist der Oktopus, der sich nicht nur durch seine Farbe, sondern auch durch die Veränderung der Form und Textur seiner Haut in seine Umgebung einfügt.
Thermische Tarnung (z. B. Infrarot). Es wird ein Material entwickelt, das die Wärmesignatur nackter Haut durch Diffusion der Wärmeemission mit versilberten Keramikhohlkugeln (Senosphären) mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 45 Mikrometern dämpft, die in ein Bindemittel eingebettet sind, um ein Pigment mit geringen Emissions- und Diffusionseigenschaften zu erzeugen. Die Mikroperlen wirken wie ein Spiegel, reflektieren den umgebenden Raum und sich gegenseitig und verteilen so die Wärmestrahlung der Haut.
Multispektrale Tarnung. Einige Tarnsysteme sind multispektral, d. h. sie funktionieren für mehr als einen Tarntyp. Saab Barracuda hat zum Beispiel ein multispektrales Tarnprodukt für das High Mobility On-Board System (HMBS) entwickelt, das Artilleriegeschütze während des Abfeuerns und der Wiederverwendung schützt. Signaturreduzierungen von bis zu 90 % sind möglich, und die Unterdrückung der Wärmestrahlung ermöglicht es Motoren und Generatoren für einen schnellen Start im Leerlauf zu laufen. Einige Systeme verfügen über eine doppelseitige Beschichtung, die es Soldaten ermöglicht, eine doppelseitige Tarnung für den Einsatz auf verschiedenen Geländearten zu tragen.
Ende 2006 kündigte BAE Systems an, was als "ein Sprung nach vorne in der Tarnungstechnologie" beschrieben wurde, und erfand in seinem Zentrum für fortschrittliche Technologie "eine neue Form der aktiven Tarnung … Auf Knopfdruck werden Objekte praktisch unsichtbar und verschmelzen". in ihren Hintergrund." Laut BAE Systems hat die Entwicklung "dem Unternehmen ein Jahrzehnt an der Spitze der Stealth-Technologie verschafft und könnte die Welt des 'Stealth'-Engineerings neu definieren." Auf Basis neuer Materialien wurden neue Konzepte umgesetzt, die es nicht nur ermöglichen, ihre Farben zu ändern, sondern auch das Infrarot-, Mikrowellen- und Radarprofil zu verschieben und Objekte mit dem Hintergrund zu verschmelzen, wodurch sie fast unsichtbar werden. Diese Technologie ist in die Struktur selbst integriert und basiert nicht auf der Verwendung von zusätzlichem Material wie Farbe oder einer Klebeschicht. Diese Arbeit hat bereits zur Registrierung von 9 Patenten geführt und kann noch immer einzigartige Lösungen für Signaturverwaltungsprobleme bieten.
Aktives Tarnsystem basierend auf RPT-Technologie mit Projektion auf einen reflektierenden Regenmantel
Die nächste Grenze: Transformationsoptik
Die in diesem Artikel beschriebenen aktiven / adaptiven Tarnsysteme, die auf Szenenprojektion basieren, sind an sich ziemlich ähnlich wie Science-Fiction (und dies war tatsächlich die Grundlage des Films "Predator"), aber sie sind nicht Teil der fortschrittlichsten Technologie, die in der Forschung erforscht wurde die Suche nach „Schleier der Unsichtbarkeit“. Tatsächlich wurden bereits andere Lösungen skizziert, die im Vergleich zur aktiven Tarnung viel effektiver und praktischer sind. Sie basieren auf einem Phänomen, das als Transformationsoptik bekannt ist. Das heißt, einige Wellenlängen, einschließlich des sichtbaren Lichts, können "gebogen" werden und um ein Objekt fließen, wie Wasser, das einen Stein umhüllt. Dadurch werden Objekte hinter dem Objekt sichtbar, als würde Licht durch den leeren Raum gehen, während das Objekt selbst aus dem Blickfeld verschwindet. Theoretisch können Transformationsoptiken Objekte nicht nur maskieren, sondern auch dort sichtbar machen, wo sie nicht sind.
Schematische Darstellung des Unsichtbarkeitsprinzips mittels Transformationsoptik
Künstlerische Darstellung der Struktur eines Metamaterials
Dazu muss das Objekt oder der Bereich jedoch mit einem Tarnmittel maskiert werden, das selbst für elektromagnetische Wellen nicht wahrnehmbar sein darf. Diese als Metamaterialien bezeichneten Werkzeuge verwenden zelluläre Strukturen, um eine Kombination von Materialeigenschaften zu schaffen, die in der Natur nicht verfügbar sind. Diese Strukturen können elektromagnetische Wellen um ein Objekt lenken und sie auf der anderen Seite erscheinen lassen.
Die allgemeine Idee hinter solchen Metamaterialien ist die negative Brechung. Im Gegensatz dazu haben alle natürlichen Materialien einen positiven Brechungsindex, ein Indikator dafür, wie stark elektromagnetische Wellen beim Übergang von einem Medium zum anderen gebogen werden. Ein klassisches Beispiel dafür, wie Brechung funktioniert: Ein Teil eines in Wasser getauchten Stabes scheint unter der Wasseroberfläche gebogen zu sein. Bei einer negativen Brechung des Wassers würde der eingetauchte Teil des Stabes dagegen aus der Wasseroberfläche herausragen. Oder, als ein anderes Beispiel, ein Fisch, der unter Wasser schwimmt, scheint sich in der Luft über der Wasseroberfläche zu bewegen.
Neues Maskierungs-Metamaterial von der Duke University im Januar 2009 enthüllt
Eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines fertigen 3D-Metamaterials. Geteilte Gold-Nanoring-Resonatoren sind in geraden Reihen angeordnet
Schematische und elektronenmikroskopische Ansicht eines Metamaterials (oben und seitlich), das von Forschern der University of California, Berkeley, entwickelt wurde. Das Material besteht aus parallelen Nanodrähten, die in poröses Aluminiumoxid eingebettet sind. Wenn sichtbares Licht ein Material gemäß dem Phänomen der negativen Brechung durchdringt, wird es in die entgegengesetzte Richtung abgelenkt.
Damit ein Metamaterial einen negativen Brechungsindex hat, muss seine Strukturmatrix kleiner sein als die Länge der verwendeten elektromagnetischen Welle. Darüber hinaus müssen die Werte der Dielektrizitätskonstante (die Fähigkeit, ein elektrisches Feld zu übertragen) und die magnetische Permeabilität (wie sie auf ein Magnetfeld reagiert) negativ sein. Mathematik ist ein integraler Bestandteil des Entwurfs der Parameter, die erforderlich sind, um Metamaterialien zu erstellen und zu demonstrieren, dass das Material Unsichtbarkeit garantiert. Es überrascht nicht, dass bei der Arbeit mit Wellenlängen im breiteren Mikrowellenbereich, der von 1 mm bis 30 cm reicht, mehr Erfolg erzielt wurde. Die Menschen sehen die Welt in einem engen Bereich elektromagnetischer Strahlung, dem sogenannten sichtbaren Licht, mit Wellenlängen ab 400 Nanometer (violett und Magentalicht) bis 700 Nanometer (dunkelrotes Licht).
Nach der ersten Demonstration der Machbarkeit des Metamaterials im Jahr 2006, als der erste Prototyp gebaut wurde, kündigte ein Team von Ingenieuren der Duke University im Januar 2009 eine neue Art von Cloaking-Geräten an, die beim Cloaking über ein breites Frequenzspektrum viel fortschrittlicher sind. Die jüngsten Fortschritte auf diesem Gebiet sind auf die Entwicklung einer neuen Gruppe komplexer Algorithmen zur Erstellung und Produktion von Metamaterialien zurückzuführen. In neueren Laborexperimenten wurde ein Mikrowellenstrahl, der durch ein Maskierungsmittel auf eine "Ausbuchtung" auf einer flachen Spiegeloberfläche gerichtet war, von der Oberfläche unter dem gleichen Winkel reflektiert, als ob es keine Ausbuchtung gäbe. Außerdem verhinderte das Cloaking-Mittel die Bildung von Streustrahlen, die normalerweise mit solchen Transformationen einhergehen. Das der Tarnung zugrunde liegende Phänomen ähnelt einer Fata Morgana, die man an einem heißen Tag vor der Straße sieht.
In einem parallelen und wirklich konkurrierenden Programm gaben Wissenschaftler der University of California Mitte 2008 bekannt, dass sie Pionierarbeit bei 3D-Materialien geleistet haben, die die normale Richtung des Lichts im sichtbaren und nahen Infrarotspektrum ändern können. Die Forscher verfolgten zwei unterschiedliche Ansätze. Im ersten Experiment stapelten sie mehrere abwechselnde Schichten aus Silber und nichtleitendem Magnesiumfluorid und schnitten die sogenannten nanometrischen "Mesh"-Muster in Schichten, um ein optisches Bulk-Metamaterial zu erzeugen. Negative Brechung wurde bei Wellenlängen von 1500 Nanometer gemessen. Das zweite Metamaterial bestand aus Silbernanodrähten, die in porösem Aluminiumoxid gestreckt waren; es hatte eine negative Brechung bei Wellenlängen von 660 Nanometern im roten Bereich des Spektrums.
Beide Materialien erreichten eine negative Brechung, wobei die Menge an absorbierter oder "verlorener" Energie beim Durchgang von Licht minimal war.
Links ist eine schematische Darstellung des ersten 3D-"Mesh"-Metamaterials, das an der University of California entwickelt wurde und einen negativen Brechungsindex im sichtbaren Spektrum erreichen kann. Rechts das Bild der fertigen Struktur aus einem Rasterelektronenmikroskop. Intermittierende Schichten bilden kleine Umrisse, die das Licht zurücklenken können
Ebenfalls im Januar 2012 gaben Forscher der Universität Stuttgart bekannt, dass sie Fortschritte bei der Herstellung eines mehrschichtigen Split-Ring-Metamaterials für optische Wellenlängen gemacht haben. Dieses beliebig oft wiederholbare schichtweise Verfahren ist in der Lage, aus Metamaterialien gut ausgerichtete dreidimensionale Strukturen zu erzeugen. Der Schlüssel zu diesem Erfolg war ein Planarisierungs-(Nivellierungs-)Verfahren für eine raue nanolithografische Oberfläche in Kombination mit haltbaren Passermarken, die Trockenätzprozessen während der Nanoherstellung standhalten. Das Ergebnis war eine perfekte Ausrichtung mit absolut flachen Schichten. Dieses Verfahren eignet sich auch für die Herstellung von Freiformformen in jeder Schicht. Somit ist es möglich, komplexere Strukturen zu erstellen.
Sicherlich ist noch viel Forschung erforderlich, bevor Metamaterialien geschaffen werden können, die im sichtbaren Spektrum arbeiten können, in dem das menschliche Auge sehen kann, und dann praktische Materialien, die beispielsweise für Kleidung geeignet sind. Aber selbst Verkleidungsmaterialien, die nur bei wenigen Grundwellenlängen arbeiten, könnten enorme Vorteile bieten. Sie können Nachtsichtsysteme wirkungslos machen und Objekte unsichtbar machen, beispielsweise für Laserstrahlen zur Waffenführung.
Arbeitskonzept
Auf der Grundlage moderner bildgebender Geräte und Displays wurden leichtgewichtige optoelektronische Systeme vorgeschlagen, die ausgewählte Objekte nahezu transparent und somit praktisch unsichtbar machen. Diese Systeme werden als aktive oder adaptive Tarnsysteme bezeichnet, da sie im Gegensatz zur traditionellen Tarnung Bilder erzeugen, die sich als Reaktion auf Änderungen der Szenen und Lichtverhältnisse ändern können.
Die Hauptfunktion des adaptiven Tarnsystems besteht darin, die Szene (Hintergrund) hinter dem Objekt auf die Oberfläche des Objekts zu projizieren, die dem Betrachter am nächsten ist. Mit anderen Worten, die Szene (Hintergrund) hinter dem Motiv wird transportiert und in Feldern vor dem Motiv angezeigt.
Ein typisches aktives Tarnungssystem ist höchstwahrscheinlich ein Netzwerk flexibler Flachbildschirme, die in Form einer Art Decke angeordnet sind, die alle sichtbaren Oberflächen des zu tarnenden Objekts bedeckt. Jedes Anzeigefeld enthält einen aktiven Pixelsensor (APS) oder möglicherweise einen anderen fortschrittlichen Bildgeber, der nach vorne von dem Bildschirm gerichtet ist und einen kleinen Teil des Bildschirmbereichs einnimmt. Die "Decke" enthält auch einen Drahtrahmen, der ein Netzwerk aus vernetzten optischen Fasern unterstützt, durch die das Bild von jedem APS an eine zusätzliche Anzeigetafel auf der gegenüberliegenden Seite des maskierten Objekts übertragen wird.
Die Position und Ausrichtung aller Bildgebungsgeräte wird mit der Position und Ausrichtung eines Sensors synchronisiert, die vom Haupt-Imager (Sensor) bestimmt wird. Die Ausrichtung wird von einem Nivellierwerkzeug bestimmt, das vom Hauptbildsensor gesteuert wird. Ein an einen externen Lichtmesser angeschlossener zentraler Controller passt die Helligkeit aller Anzeigefelder automatisch an die Umgebungslichtbedingungen an. Die Unterseite des maskierten Objekts wird künstlich beleuchtet, so dass das Bild des maskierten Objekts von oben den Boden so zeigt, als wäre er natürlich beleuchtet; wird dies nicht erreicht, wird die offensichtliche Heterogenität und Diskretion der Schatten für den von oben nach unten blickenden Beobachter sichtbar.
Anzeigepanels können in der Größe und Konfiguration so konfiguriert werden, dass insgesamt diese Panels verwendet werden können, um verschiedene Objekte zu maskieren, ohne die Objekte selbst ändern zu müssen. Die Größe und Masse typischer Systeme und Subsysteme der adaptiven Tarnung wurden geschätzt: Das Volumen eines typischen Bildsensors beträgt weniger als 15 cm3, während ein System, das ein 10 m langes, 3 m hohes und 5 m breites Objekt tarnt, eine Masse von weniger als 45 kg. Handelt es sich bei dem zu tarnenden Objekt um ein Fahrzeug, so kann das adaptive Tarnsystem einfach über das Bordnetz des Fahrzeugs aktiviert werden, ohne dass dessen Funktion beeinträchtigt wird.
Eine interessante Lösung zur adaptiven Tarnung militärischer Ausrüstung Adaptive von BAE Systems
