Niewidzialność. Skąd wynika potrzeba niewidzialności?

Transkrypt

1 Niewidzialność Radary i nie tylko. Skąd wynika potrzeba niewidzialności? W technikach zbrojeniowych: przyczyny są dość oczywiste. Nie tylko samoloty i pociski. Coraz więcej urządzeń elektronicznych znajduje się wszędzie. Wszystkie emitują promieniowanie elektromagnetyczne interferujące ze sobą. Może to zakłócać pracę wielu układów. 1

2 Niewidzialność: nie tylko radar Inne czynniki, nie mniej ważne to: dźwięk widok ciepło sygnały wysyłane przez urządzenia elektroniczne. Zaczniemy jednak od ukrycia obiektu przed radarem Samoloty, samochody, statki,.. 2

3 Zakresy częstotliwości Visible Thermal IR Radar Zakresy częstotliwości Widzialne nm ( um) Bliska podczerwień (NIR) nm ( um) Podczerwień (TIR) um 3-5 um and 8-14 um are the bands of interest for thermal missile and surveillance Fale mm Battlefield Surveillance radars Mikrofale 1 to 30 cm, Fire Control radars to Early Warning radars 3

4 Historia Wbrew pozorom, prace nad poszukiwaniem sposobów ukrycia okrętów podwodnych przed radarem nie są nowe. Początki sięgają II wojny światowej. Stosowano wówczas 2 rodzaje materiałów absorbujących promieniowanie. Historia 1 to warstwa gumy z cząstkami magnetycznymi (kompozyt), absorbująca promieniowanie 3 GHz; 4

5 Historia 2 to gruby (7.5 cm) wielowarstwowy materiał złożony z warstw oporowych przedzielonych plastikiem o małej stałej dielektrycznej. Przewodnictwo warstw oporowych rosło od wierzchu w głąb materiału, co powodowało duże tłumienie padającego promieniowania. Zakres częstotliwości: 2-18 GHz. Jak działa radar Antena wysyła silny impuls fal radiowych; Impuls natrafia na samolot i odbija się; Odbity sygnał jest rejestrowany przez tę samą antenę; Położenie i prędkość samolotu wyznacza się na podstawie efektu Dopplera. 5

6 Jak działa radar Howstuffworks.com Jak można oszukać radar Można rozproszyć energię promieniowania emitowanego przez antenę; Można zaabsorbować energię a następnie wyemitować ją w postaci ciepła. 6

7 Jak obliczyć widzialność : przekrój czynny. Moc promieniowania rozproszonego przez obiekt na jednostkę kąta bryłowego (steradian) w kierunku radaru podzielona przez gęstość mocy promieniowania padającego na obiekt. Wielkość ta (Radar Cross Section, RCS) ma wymiar powierzchni. Przekrój czynny zależy od kształtu obiektu. 7

8 Jak zależy odległość detekcji od RCS: RCS Reduction 0%, 0 db 90%, 10 db 99%, 20 db 99.9%, 30 db 99.99%, 40 db Detection Range 100 (arbitrary) RCS Reduction / db % Detection Range 100 RCS ptaka w tzw. pasmie S (2-4GHz) 8

9 RCS-y różnych obiektów Jak osiągnąć niewidzialność Rozproszenie promieniowania odbitego; Absorpcja promieniowania padającego; Wygaszenie promieniowania odbitego; 9

10 Jak osiągnąć niewidzialność Kształt obiektu Bierne wygaszenie promieniowania odbitego (poprzez odpowiednią konstrukcję powierzchni samolotu); Czynne wygaszenie promieniowania odbitego; Materiały absorbujące promieniowanie. ¼ λ Kształt Pyotr Ufimtsev w 1966 roku opublikował Method of Edge Waves in the Physical Theory of Diffraction Obliczył przekroje czynne różnych obiektów 2D; Echo 1 program komputerowy do obliczania optymalnych kątów dla samolotów F-117A Samolot powinien składać się z wielu płaskich powierzchni. 10

11 Kształt Łatwo to zrozumieć patrząc na bieg promienia światła po przejściu np. przez taki żyrandol jak na rysunku obok. Kształt Gdy kształt samolotu jest zaokrąglony, wówczas zawsze część promieniowa nia odbitego dotrze do detektora. 11

12 Kształt: gdy jest wiele, różnie nachylonych płaskich powierzchni: jest jeszcze lepiej Kształt: wiele, różnie nachylonych płaskich powierzchni 12

13 Kształt: bardziej aerodynamiczne powierzchnie W latach 1980-tych rozpoczęto komputerowe projektowanie kształtu samolotu. Pozwoliło to na bardziej aerodynamiczne kształty. Kształt Samolot B-52 F-15 F-117 Ptak RCS 1000 m 2 25 m 2 < 0.01 m m 2 Jones, Stealth Technology: The Art of Black Magic 13

14 Struktura powierzchni samolotu Specjalne absorbujące struktury pod wierzchnią powłoką samolotu F- 117A Przechwytywały promieniowanie padające i odbijały je w różnych kierunkach (rozpraszając w ten sposób energię). Pierwszy: SR-71 Blackbird Struktura powierzchni samolotu RADAR beam 14

15 Struktura powierzchni samolotu Inny sposób: padające promieniowan ie się odbija, ale tak, że fala padająca i odbita wygaszają się. Struktura powierzchni samolotu Również efekty dyfrakcyjne mgą być wykorzystane w tzw. powierzchniach selektywnych (frequency-selective surfaces), zbudowanych w postaci równomiernie rozłożonych struktur pełniących funkcję anten. 15

16 Struktura powierzchni samolotu Materiały absorbujące promieniowanie Materiały Kompozyty z włóknami węglowymi Materiały węglowe zawierające ferryt RAM powoduje zmniejszenie przekroju czynnego: obiekty wydają się mniejsze 16

17 Jak materiał absorbuje promieniowanie: Materiały magnetyczne: Gdy promieniowanie elektromagnetyczne pada na powierzchnię samolotu, oddziałuje ono z materiałem magnetycznym: przemagnesowanie, ruch domen magnetycznych itd. Powoduje to rozpraszanie promieniowania padającego, a w dodatku znaczna część energii zamieniana jest na ciepło. Jak materiał absorbuje promieniowanie Materiały przewodzące Pole elektryczne indukuje prąd w materiale.materiał ma opór, pojemność, indukcyjność, z przepływem prądu wiążą się straty energii, tzn. energia fali elektromagnetycznej zamienia się w ten sposób na ciepło. 17

18 Materiały absorbujące promieniowanie Obecność fazy magnetycznej (lub przewodzącej)powoduje silne oddziaływanie promieniowania z materiałem. Obecność fazy niemetalicznej powoduje, że promieniowanie wnika do wnętrza materiału. Materiały absorbujące promieniowanie 18

19 Typy materiałów absorbujących promieniowanie Impedance Matching Dallenbach Layer Absorber Metal Resonant Absorbers Graded Interface Tuned Layer Magnetic Material Salisbury Screen Jaumann Layers Materiały absorbujące promieniowanie Dobrymi materiałami absorbującymi promieniowanie są pianki. 19

20 Materiały absorbujące promieniowanie Problemy Materiały nie powinny mieć defektów szczególnie są zagrożone w czasie tankowania; Duże koszty $14.5 millionów (F-117) Wpływ warunków atmosferycznych, pogody itp.. Materiały absorbujące promieniowanie: przyszłość F-22 Raptor Stopy absorbujące promieniowanie (chwilowo tajne) Szkło absorbujące promieniowanie (zawierające stop miedzi) Absorbujące farby. 20

21 Technologia anty-antyradarowa Radar pracujacy przy długościach fali większych niż rozmiar samolotu. Bistatic and multistatic configurations that either use existing broadcast networks (FM, AM, GSM etc.) or dedicated ones Radary szerokopasmowe (trudniej zrobić materiał RAM) Technologia anty-antyradarowa Detekcja gazów wydechowych Wykorzystanie subtelnych efektów polegających na tym, że końcówki skrzydeł generują turbulencje, które zmieniają współczynnik załamania światła, co odbija sygnał radaru. 21

22 Kamuflaż termiczny Kamuflaż termiczny Rozkład energii światła słonecznego 5% UV (mniej niż 400 nm) 45% zakres widzialny 50% podczerwień 22

23 Kamuflaż termiczny Światło padające na obiekt jest albo odbite, albo rozproszone, albo pochłonięte przez materiał Promieniowanie pochłonięte zamienia się w ciepło. Kamuflaż termiczny Każdy człowiek, każdy obiekt, urządzenie, pojazd itd. Emituje promieniowanie cieplne o intensywności i zakresie długości fali od temperatury powierzchni ciała i jej zdolności emisyjnej. 23

24 Kamuflaż termiczny Obiekty o temperaturze około 500 o C emitują promieniowanie o λ 1 2 µm; o C: λ 3 5 µm o C: λ 8 12 µm Kamuflaż termiczny Czułość detektorów termicznych jest obecnie taka, że mogą one zmierzyć różnicę temperatur między obiektem a otoczeniem 0.1 o C i mniej. Ukrycie np. czołgu na tle otoczenia, które ma np. 20 o C jest ekstremalnie trudne. W dodatku temperatura otoczenia się zmienia. 24

25 Materiały Warstwy (np. farby) zmniejszające współczynnik odbicia promieniowania IR zawierają zazwyczaj drobiny metalu, które musza być tak przygotowane aby nie odbijały zbyt silnie promieniowania widzialnego. Może to być też materiał warstwowy (tkanina, folia metalowa, tkanina). % Reflectivity Wavelength (nm) Kamuflaż termiczny Nawet istnieje antytermiczny krem dla żołnierzy. 25

26 Kamuflaż adaptacyjny Kamuflaż adaptacyjny Optoelektroniczne układy, sensory i ekrany zbudowane tak, aby niektóre obiekty wydawały się wręcz przezroczyste. Jest to kamuflaż, który dostosowuje się do warunków otoczenia. 26

27 Kamuflaż adaptacyjny Jak to działa: Układ składa się z elastycznych, płaskich wyświetlaczy tworzących płaszczyznę (coś w rodzaju tkaniny) osłaniającą wszystkie powierzchnie ukrywanego obiektu. Każdy ekran jest wyposażony w układ sensorów, które rejestrują obraz przed sobą. Obraz ten, ze pomocą światłowodów jest przekazywany do wyświetlacza z drugiej strony obiektu i tam wyświetlany (każdy ekran wyświetla to, co jest ZA NIM). Kamuflaż adaptacyjny W Star Treku cloaking device został użyty po raz pierwszy przez Romulan. Ich niewidzialność była całkowitym zaskoczeniem dla załogi USS Enterprise, która rozważała niewidzialność jedynie jako teoretycznie istniejącą możliwość. 27

28 Kamuflaż adaptacyjny Wybrane przykłady Żołnierze (kamuflaż fotochromatyczny) Czołgi (chłodzenie Peltier, ciekłe kryształy) Samoloty(fotochromatyczny lub elektrochromatyczny) Kamuflaż adaptacyjny 18. II. 2003: Z tyłu znajduje się kamera. Obraz kamery jest przekazywany na powierzchnie płaszcza. 28

29 Kamuflaż adaptacyjny: materiały Ten rodzaj kamuflażu bazuje na organicznych elementach optoelektronicznych Materiały elektrochromatyczne Glass Transparent conductor Counter electrode Electrolyte Electrochromic film Transparent conductor Glass + - WO 3 + xm + + xe - M x WO 3 Bezbarwne Niebieskie 29

30 Materiały elektrochromatyczne State 1 State 2 Bodycote Ciekłe kryształy V + Protective Topcoat Polymer Dispersed Liquid Crystal Transparent Top Electrode Conductive Mesh Base Electrode Fabric Coloured /Patterned Layer 30

31 Literatura Paul Saville, DRDC Atlantic / Dockyard Laboratory Pacific Davin E. Leinenbach 31