Niewidzialność Radary i nie tylko. Kamuflaż naturalny Jak kameleony zmieniają barwę? 2 warstwy wyspecjalizowanych komórek leżących poniżej przezroczystej zewnętrznej skóry: Chromatofory wyżej, zawierają żółty i czerwony pigment. Guanofory niżej, zawierają bezbarwne kryształki guaniny- odbijają niebieskie światło. 1
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. 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. 2
Jak działa radar Antena wysyła silny impuls fal radiowych; Impuls natrafia na coś i odbija się; Odbity sygnał jest rejestrowany przez tę samą antenę; Położenie i prędkość samolotu wyznacza się z efektu Dopplera. 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. 3
B 52 B-1A B-1B F-117A B-2 100 10 1 0,1 0,01 technologia stealth sprawia, że echo radarowe takich samolotów można wykryć dopiero z odległości <20km Typowy RCS - Skuteczna powierzchnia odbicia (m 2 ) Ciężarówka 200 Liniowiec Jumbo jet 100 Duży bombowiec 40 Duży samolot myśliwski 5-6 Dorosły mężczyzna 1 Konwencjonalne pociski 0.5 Ptaki 0.01 Insekty 0.00001 Źródło: Skolnick, Introduction to Radar Systems Jak osiągnąć niewidzialność Rozproszenie promieniowania odbitego; Wygaszenie promieniowania odbitego; Absorpcja promieniowania padającego; 4
Jak osiągnąć niewidzialność Kształt obiektu Bierne wygaszenie promieniowania odbitego (poprzez odpowiednią konstrukcję powierzchni samolotu); Czynne wygaszenie promieniowania odbitego; Materiały absorbujące promieniowanie. Kształt Piotr 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. 5
Kształt Gdy kształt samolotu jest zaokrąglony, wówczas zawsze część promieniowa nia odbitego dotrze do detektora. Kształt: gdy jest wiele, różnie nachylonych płaskich powierzchni: jest jeszcze lepiej 6
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 7
przestrzenie wewnętrzne są wypełnione materiałami syntetycznymi absorbującymi mikrofale Struktura powierzchni samolotu Inny sposób: padające promieniowanie się odbija, ale tak, że fala padająca i odbita wygaszają się. ¼ λ 8
Struktura powierzchni samolotu Również efekty dyfrakcyjne mogą być wykorzystane w tzw. powierzchniach selektywnych (frequency-selective surfaces), zbudowanych w postaci równomiernie rozłożonych struktur pełniących funkcję anten. Materiały absorbujące promieniowanie Materiały Kompozyty z włóknami węglowymi Materiały węglowe zawierające ferryt RAM powoduje zmniejszenie przekroju czynnego: obiekty wydają się mniejsze 9
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. 10
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 Problemy Materiały nie powinny mieć defektów szczególnie są zagrożone w czasie tankowania; Duże koszty $14.5 millionów (F-117) Wpływ warunków atmosferycznych, pogody itp.. 11
Technologia anty-antyradarowa Radar pracujący przy długościach fali większych niż rozmiar samolotu. Bi- i multistatyczne radary Radary szerokopasmowe (trudniej zrobić materiał RAM) Bi- i multistatyczne radary Radary najczęściej pracują impulsowo: emitują silny impuls promieniowania i następnie mierzą impuls odbity od przeszkody. W rezultacie, łatwo je wykryć. Obecne tendencje są takie, aby radar emitował promieniowanie ciągłe, odpowiednio modulowane, a detekcja odbywała się za pomocą innych anten. 12
Bi- i multistatyczne radary NOTABENE: Pierwsze radary emitowały falę ciągłą i były bistatyczne. Dużym problemem było tło i rozmaite zakłócenia z ziemi. Dlatego rozwinięto techniki impulsowe. Obecnie, wskutek rozwoju cyfrowych technik obróbki sygnału stał się możliwy rozwój technik nieimpulsowych. Pierwszy praktycznie stosowany radar ciągły (tylko Dopplerowski) to radar policyjny. Bi- i multistatyczne radary Więcej niż jedna antena odbiorcza. 13
Bi- i multistatyczne radary Takie radary mają większą czułość, większy zasięg, a wyniki są bardziej jednoznaczne. Zasięg praktycznie zależy jedynie od ilości anten odbiorczych. Bi- i multistatyczne radary Antena bistatyczna jest tania i przenośna. Ma 4 m wysokości. Sama w sobie antena jest trudna do wykrycia (radarem). 14
Radar TV Przeprowadzono eksperymenty z zastosowaniem fal UHV do detekcji obiektów wojskowych. Pierwsze eksperymenty dały nie najlepszy rezultat (zasięg 10 km). Technologia antyantyradarowa: inne metody Detekcja gazów wydechowych Wykorzystanie subtelnych efektów polegających na tym, że końcówki skrzydeł generują turbulencje, które zmieniają współczynnik załamania światła, co odbija sygnał radaru. 15
Kamuflaż termiczny Kamuflaż termiczny Rozkład energii światła słonecznego 5% UV (mniej niż 400 nm) 45% zakres widzialny 50% podczerwień 16
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 zależnym od temperatury powierzchni ciała i jej zdolności emisyjnej. 17
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. 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). 18
Kamuflaż adaptacyjny 18. II. 2003: Z tyłu znajduje się kamera. Obraz kamery jest przekazywany na powierzchnię płaszcza. Kamuflaż adaptacyjny Materiał peleryny niewidki jest pokryty tysiącami kuleczek, które odbijają światło idealnie do tyłu. Taki materiał jest idealnie nieprzezroczysty - pełni funkcję ekranu. 19
Kamuflaż adaptacyjny Nie jest to, niestety, prawdziwy i idealny kamuflaż Jest właściwie jednokierunkowy; Wymaga wyposażenia technicznego; Nie likwiduje cienia. Najnowszy sposób kamuflażu Ugięcie światła (światło biegnie wokół obiektu pokrytego tzw. metamateriałem). 20
Czy takie załamanie jest możliwe? Czy istnieją takie materiały? 21
Metamateriały Potrzebne są sztuczne materiały o -ε, -µ Są to tzw. metamateriały. Umieszczenie w dielektryku metalowych pierścieni (przeciętych) i metalowych prętów tworzy odpowiednie właściwości I SRR E y H x I ROD Rezonans magnetyczny (ujemne µ) y x Rezonans elektryczny (ujemne ε) z 22
Wyniki doświadczalne (2000-2006) Pierwsze wyniki (2000-2002) mikrofale (5 GHz -20 GHz) Później (2002-2005) podczerwień GHz, THz, Obecnie promieniowanie widzialne Od mikrofal do światła widzialnego 23
Jak to się robi? TRANSPARENT ELECTRODE PHOTO-RESIST ELECTRONS GLASS SPIN COATING E- BEAM WRITING GOLD LIFT OFF GOLD EVAPORATION DEVELOPMENT Literatura Paul Saville, DRDC Atlantic / Dockyard Laboratory Pacific Davin E. Leinenbach Krzysztof Kulpa, Uniwersytet Warszawski Continuous wave radars-monostatic, multistatic and networks http://www.chameleonnews.com/ Wiedza i życie Atak z powietrza 3/99, (9/89) H.D. Griffiths, University College London, Bistatic and multistatic radar 24