Una rappresentazione artistica di un futuro veicolo da combattimento protetto da un sistema di mimetizzazione attivo
Attualmente, le operazioni di ricognizione e infiltrazione della fanteria vengono eseguite con un camuffamento convenzionale progettato per camuffare un soldato utilizzando due elementi principali: colore e motivo (motivo mimetico). Tuttavia, le operazioni militari negli ambienti urbani stanno diventando sempre più prevalenti, in cui il colore e il motivo ottimali possono cambiare continuamente, anche ogni minuto. Ad esempio, un soldato che indossa un'uniforme verde risalterà chiaramente contro un muro bianco. Un sistema di mimetizzazione attivo potrebbe aggiornare costantemente colore e motivo, nascondendo il soldato nel suo ambiente attuale
La natura ha utilizzato "sistemi" di mimetizzazione attivamente adattivi per milioni di anni. Riesci a vedere il camaleonte in questa foto?
Rappresentazione semplificata del principio di funzionamento del camouflage attivo-adattivo utilizzando l'esempio di MBT
Questo articolo fornisce una panoramica dei sistemi di mimetizzazione attivi (adattivi) attuali e previsti. Sebbene ci siano numerose applicazioni per questi sistemi, o siano in fase di sviluppo, la ricerca si concentra sui sistemi che potrebbero essere utilizzati nelle operazioni di fanteria. Inoltre, lo scopo di questi studi è fornire informazioni utilizzate per valutare l'attuale applicabilità dei sistemi di mimetizzazione attivi e per aiutare a progettare quelli futuri.
Definizioni e concetti di base
Il camuffamento attivo nello spettro visibile differisce dal camuffamento convenzionale in due modi. Innanzitutto, sostituisce l'aspetto di ciò che viene mascherato con un aspetto che non solo assomigli all'ambiente (come il mascheramento tradizionale), ma rappresenti accuratamente ciò che si trova dietro l'oggetto che viene mascherato.
In secondo luogo, il camuffamento attivo lo fa anche in tempo reale. Idealmente, il camuffamento attivo potrebbe non solo imitare gli oggetti vicini, ma anche quelli lontani, possibilmente fino all'orizzonte, creando un perfetto camuffamento visivo. Il camuffamento visivo attivo può essere utilizzato per disabilitare la capacità dell'occhio umano e dei sensori ottici di riconoscere la presenza di bersagli.
Ci sono molti esempi di sistemi di mimetizzazione attivi nella finzione e gli sviluppatori spesso scelgono un nome per una tecnologia basata su alcuni termini e nomi della finzione. Generalmente si riferiscono al camuffamento attivo completo (ovvero all'invisibilità completa) e non si riferiscono alle capacità del camuffamento attivo parziale, al camuffamento attivo per operazioni speciali o ad alcuno degli attuali progressi tecnologici del mondo reale. Tuttavia, l'invisibilità completa sarà sicuramente utile per le operazioni di fanteria, come le operazioni di ricognizione e di infiltrazione.
Il camuffamento viene utilizzato non solo nello spettro visivo, ma anche nell'acustica (ad esempio sonar), nello spettro elettromagnetico (ad esempio radar), nel campo termico (ad esempio radiazione infrarossa) e per modificare la forma di un oggetto. Le tecnologie di mimetizzazione, comprese alcune mimetiche attive, sono state sviluppate in una certa misura per tutti questi tipi, in particolare per i veicoli (terra, mare e aria). Sebbene questo lavoro si riferisca principalmente al camuffamento visivo per un fante smontato, è utile menzionare brevemente soluzioni in altre aree, poiché alcune idee tecnologiche possono essere trasferite allo spettro visibile.
Mimetizzazione visiva. Il camuffamento visivo consiste in forma, superficie, lucentezza, silhouette, ombra, posizione e movimento. Un sistema di mimetizzazione attivo può contenere tutti questi aspetti. Questo articolo si concentra sul camuffamento visivo attivo, quindi questi sistemi sono dettagliati nelle sottosezioni seguenti.
Mimetizzazione acustica (ad es. sonar). Dagli anni '40, molti paesi hanno sperimentato superfici fonoassorbenti per ridurre i riflessi del sonar dei sottomarini. Le tecnologie di inceppamento delle armi sono un tipo di camuffamento acustico. Inoltre, la cancellazione attiva del rumore è una nuova tendenza che potrebbe potenzialmente evolversi in un camuffamento acustico. Le cuffie con cancellazione attiva del rumore sono attualmente disponibili per il consumatore. Sono in fase di sviluppo i cosiddetti sistemi Near-Field Active Noise Suppression, che vengono posizionati nel campo acustico vicino per minimizzare attivamente, principalmente, il rumore tonale delle eliche. Si prevede che potrebbero essere sviluppati sistemi promettenti per campi acustici a lungo raggio per mascherare le azioni della fanteria.
Mimetizzazione elettromagnetica (come il radar). Le reti mimetiche radar combinano rivestimenti speciali e tecnologia in microfibra per fornire un'attenuazione radar a banda larga superiore a 12 dB. L'uso di rivestimenti termici opzionali estende la protezione dagli infrarossi.
Il BMS-ULCAS (Multispectral Ultra Lightweight Camouflage Screen) di Saab Barracuda utilizza un materiale speciale attaccato al materiale di base. Il materiale riduce il rilevamento del radar a banda larga e restringe anche le gamme di frequenza del visibile e dell'infrarosso. Ogni schermo è progettato specificamente per l'attrezzatura che protegge.
Divise mimetiche. In futuro, il camuffamento attivo può determinare l'oggetto da mascherare per adattarlo alla forma dello spazio. Questa tecnologia è nota come SAD (Shape Approximation Device) e ha il potenziale per ridurre la capacità di rilevamento della forma. Uno degli esempi più convincenti di mimetizzazione uniforme è il polpo, che può mimetizzarsi con l'ambiente circostante non solo cambiando colore, ma anche cambiando la forma e la consistenza della sua pelle.
Mimetizzazione termica (ad es. infrarossi). È in fase di sviluppo un materiale che attenua la traccia termica della pelle nuda diffondendo l'emissione di calore utilizzando sfere di ceramica cave argentate (senosfere), di un diametro medio di 45 micron, incorporate in un legante per creare un pigmento con proprietà di bassa emissione e diffusione. Le microsfere funzionano come uno specchio, riflettendo lo spazio circostante e l'un l'altro, e quindi distribuiscono la radiazione termica dalla pelle.
Mimetizzazione multispettrale. Alcuni sistemi di mimetizzazione sono multispettrali, il che significa che funzionano per più di un tipo di mimetica. Ad esempio, Saab Barracuda ha sviluppato un prodotto di mimetizzazione multispettrale High Mobility on-Board System (HMBS) che protegge i pezzi di artiglieria durante lo sparo e il ridispiegamento. Sono possibili riduzioni fino al 90% e la soppressione delle radiazioni termiche consente a motori e generatori di girare al minimo per un avvio rapido. Alcuni sistemi hanno un rivestimento a doppia faccia, che consente ai soldati di indossare un camuffamento a doppia faccia per l'uso su diversi tipi di terreno.
Alla fine del 2006, BAE Systems ha annunciato quello che è stato descritto come "un balzo in avanti nella tecnologia del camuffamento", al centro della tecnologia avanzata ha inventato "una nuova forma di furtività attiva … Alla pressione di un pulsante, gli oggetti diventano praticamente invisibili, fondendosi nel loro sfondo." Secondo BAE Systems, lo sviluppo "ha dato all'azienda un decennio di leadership nella tecnologia stealth e potrebbe ridefinire il mondo dell'ingegneria 'stealth'". Sono stati implementati nuovi concetti basati su nuovi materiali, che consentono non solo di cambiarne i colori, ma anche di spostare il profilo a infrarossi, microonde e radar e di fondere gli oggetti con lo sfondo, il che li rende quasi invisibili. Questa tecnologia è incorporata nella struttura stessa piuttosto che basata sull'uso di materiale aggiuntivo, come vernice o uno strato adesivo. Questo lavoro ha già portato alla registrazione di 9 brevetti e potrebbe ancora fornire soluzioni uniche ai problemi di gestione delle firme.
Sistema di mimetizzazione attivo basato sulla tecnologia RPT con proiezione su un impermeabile riflettente
La prossima frontiera: l'ottica di trasformazione
I sistemi di mimetizzazione attivo/adattivo descritti in questo articolo e basati sulla proiezione di scene sono di per sé abbastanza simili alla fantascienza (e in effetti questa era la base del film "Predator"), ma non fanno parte della tecnologia più avanzata ricercata in la ricerca "sudore dell'invisibilità". Sono infatti già delineate altre soluzioni, che saranno molto più efficaci e pratiche rispetto al camouflage attivo. Si basano su un fenomeno noto come ottica di trasformazione. Cioè, alcune lunghezze d'onda, inclusa la luce visibile, possono essere "piegate" e fluire attorno a un oggetto come l'acqua che avvolge una pietra. Di conseguenza, gli oggetti dietro l'oggetto diventano visibili, come se la luce passasse attraverso lo spazio vuoto, mentre l'oggetto stesso scompare dalla vista. In teoria, l'ottica di trasformazione può non solo mascherare gli oggetti, ma anche renderli visibili dove non sono.
Rappresentazione schematica del principio di invisibilità mediante ottica di trasformazione
Rappresentazione artistica della struttura di un metamateriale
Tuttavia, affinché ciò avvenga, l'oggetto o l'area deve essere mascherato utilizzando un agente di occultamento, che deve essere esso stesso non rilevabile alle onde elettromagnetiche. Questi strumenti, chiamati metamateriali, utilizzano strutture cellulari per creare una combinazione di caratteristiche materiali non disponibili in natura. Queste strutture possono dirigere le onde elettromagnetiche attorno a un oggetto e farle apparire dall'altra parte.
L'idea generale alla base di tali metamateriali è la rifrazione negativa. Al contrario, tutti i materiali naturali hanno un indice di rifrazione positivo, un indicatore di quanto le onde elettromagnetiche vengono piegate mentre passano da un mezzo all'altro. Un'illustrazione classica di come funziona la rifrazione: una parte di un bastone immersa nell'acqua sembra piegata sotto la superficie dell'acqua. Se l'acqua avesse una rifrazione negativa, la parte sommersa del bastoncino, al contrario, sporgerebbe dalla superficie dell'acqua. O, per un altro esempio, un pesce che nuota sott'acqua sembrerebbe muoversi nell'aria sopra la superficie dell'acqua.
Nuovo metamateriale di mascheramento rivelato dalla Duke University nel gennaio 2009
Un'immagine al microscopio elettronico di un metamateriale 3D finito. I risonatori a nanoanelli d'oro divisi sono disposti in file pari
Vista schematica e al microscopio elettronico di un metamateriale (superiore e laterale) sviluppato dai ricercatori dell'Università della California, Berkeley. Il materiale è formato da nanofili paralleli incorporati all'interno di allumina porosa. Quando la luce visibile attraversa un materiale secondo il fenomeno della rifrazione negativa, viene deviata nella direzione opposta.
Affinché un metamateriale abbia un indice di rifrazione negativo, la sua matrice strutturale deve essere inferiore alla lunghezza dell'onda elettromagnetica utilizzata. Inoltre, i valori della costante dielettrica (la capacità di trasmettere un campo elettrico) e della permeabilità magnetica (come reagisce a un campo magnetico) devono essere negativi. La matematica è parte integrante della progettazione dei parametri necessari per creare metamateriali e dimostrare che il materiale garantisce l'invisibilità. Non sorprende che si sia ottenuto più successo lavorando con lunghezze d'onda nella gamma più ampia delle microonde, che va da 1 mm a 30 cm. Le persone vedono il mondo in una gamma ristretta di radiazioni elettromagnetiche, note come luce visibile, con lunghezze d'onda da 400 nanometri (viola e luce magenta) a 700 nanometri (luce rosso scuro).
Dopo la prima dimostrazione della fattibilità del metamateriale nel 2006, quando è stato costruito il primo prototipo, un team di ingegneri della Duke University ha annunciato nel gennaio 2009 un nuovo tipo di dispositivo di occultamento, molto più avanzato nell'occultamento su un ampio spettro di frequenze. Gli ultimi progressi in questo settore sono dovuti allo sviluppo di un nuovo gruppo di algoritmi complessi per la creazione e la produzione di metamateriali. In recenti esperimenti di laboratorio, un raggio di microonde diretto attraverso un mezzo di mascheramento su un "rigonfiamento" su una superficie piana di uno specchio è stato riflesso dalla superficie con lo stesso angolo come se non ci fosse un rigonfiamento. Inoltre, l'agente di occultamento impediva la formazione di fasci dispersi, che solitamente accompagnavano tali trasformazioni. Il fenomeno alla base del camuffamento ricorda un miraggio visto in una calda giornata davanti alla strada.
In un programma parallelo e davvero competitivo, gli scienziati dell'Università della California hanno annunciato a metà del 2008 di aver aperto la strada a materiali 3-D in grado di cambiare la normale direzione della luce negli spettri del visibile e del vicino infrarosso. I ricercatori hanno seguito due approcci distinti. Nel primo esperimento, hanno impilato diversi strati alternati di argento e fluoruro di magnesio non conduttivo e hanno tagliato i cosiddetti modelli di "maglia" nanometrici in strati per creare un metamateriale ottico sfuso. La rifrazione negativa è stata misurata a lunghezze d'onda di 1500 nanometri. Il secondo metamateriale era costituito da nanofili d'argento tesi all'interno di allumina porosa; aveva una rifrazione negativa a lunghezze d'onda di 660 nanometri nella regione rossa dello spettro.
Entrambi i materiali hanno ottenuto una rifrazione negativa, con la quantità di energia assorbita o "persa" mentre la luce li attraversava era minima.
A sinistra è una rappresentazione schematica del primo metamateriale "mesh" 3-D sviluppato presso l'Università della California che può raggiungere un indice di rifrazione negativo nello spettro visibile. Sulla destra è l'immagine della struttura finita da un microscopio elettronico a scansione. Gli strati intermittenti formano piccoli contorni che possono deviare la luce indietro
Sempre nel gennaio 2012, i ricercatori dell'Università di Stoccarda hanno annunciato di aver compiuto progressi nella fabbricazione di un metamateriale multistrato ad anello diviso per lunghezze d'onda ottiche. Questa procedura strato per strato, che può essere ripetuta tutte le volte che si desidera, è in grado di creare strutture tridimensionali ben allineate dai metamateriali. La chiave di questo successo è stato un metodo di planarizzazione (livellamento) per una superficie nanolitografica ruvida combinato con fiducial durevoli che resistono ai processi di incisione a secco durante la nanoproduzione. Il risultato è stato un allineamento perfetto con strati assolutamente piatti. Questo metodo è adatto anche per la produzione di forme a mano libera in ogni strato. Pertanto, è possibile creare strutture più complesse.
Certamente, potrebbero essere necessarie molte più ricerche prima di poter creare metamateriali che possano funzionare nello spettro visibile, in cui l'occhio umano può vedere, e quindi materiali pratici adatti, ad esempio, per l'abbigliamento. Ma anche materiali di occultamento che operano a poche lunghezze d'onda fondamentali potrebbero offrire enormi vantaggi. Possono rendere inefficaci i sistemi di visione notturna e rendere gli oggetti invisibili, ad esempio, ai raggi laser utilizzati per guidare le armi.
Concetto di lavoro
Sono stati proposti sistemi optoelettronici leggeri basati su moderni dispositivi di imaging e display che rendono gli oggetti selezionati quasi trasparenti e quindi praticamente invisibili. Questi sistemi sono chiamati sistemi di mimetizzazione attivi o adattivi per il fatto che, a differenza del mimetismo tradizionale, generano immagini che possono cambiare in risposta a cambiamenti di scene e condizioni di illuminazione.
La funzione principale del sistema di mimetizzazione adattiva è quella di proiettare la scena (sfondo) dietro l'oggetto sulla superficie dell'oggetto più vicino allo spettatore. In altre parole, la scena (sfondo) dietro al soggetto viene trasportata e visualizzata in pannelli davanti al soggetto.
Un tipico sistema di mimetizzazione attivo sarà molto probabilmente una rete di schermi piatti flessibili disposti sotto forma di una sorta di coperta che coprirà tutte le superfici visibili dell'oggetto che devono essere mimetizzate. Ciascun pannello di visualizzazione conterrà un sensore di pixel attivo (APS), o eventualmente un altro imager avanzato, che sarà diretto in avanti rispetto al pannello e occuperà una piccola porzione dell'area del pannello. Il "copriletto" conterrà anche un telaio metallico che supporta una rete di fibre ottiche reticolate attraverso la quale l'immagine di ciascun APS verrà trasmessa a un pannello di visualizzazione aggiuntivo sul lato opposto dell'oggetto mascherato.
La posizione e l'orientamento di tutti i dispositivi di imaging saranno sincronizzati con la posizione e l'orientamento di un sensore, che sarà determinato dall'imager principale (sensore). L'orientamento sarà determinato da uno strumento di livellamento controllato dal sensore di immagine principale. Un controller centrale collegato a un esposimetro esterno regolerà automaticamente i livelli di luminosità di tutti i pannelli del display in modo che corrispondano alle condizioni di luce ambientale. La parte inferiore dell'oggetto mascherato sarà illuminata artificialmente in modo che l'immagine dell'oggetto mascherato dall'alto mostri il suolo come se fosse illuminato naturalmente; se questo non viene raggiunto, allora l'ovvia eterogeneità e discretezza delle ombre sarà visibile all'osservatore guardando dall'alto verso il basso.
I pannelli di visualizzazione possono essere dimensionati e configurati in modo tale che un totale di questi pannelli possa essere utilizzato per mascherare vari oggetti senza dover modificare gli oggetti stessi. Sono state stimate le dimensioni e la massa dei tipici sistemi e sottosistemi di mimetizzazione adattiva: il volume di un tipico sensore di immagine sarà inferiore a 15 cm3, mentre un sistema che occulta un oggetto lungo 10 m, alto 3 m e largo 5 m avrà un massa inferiore a 45 kg. Se l'oggetto da occultare è un veicolo, il sistema di mimetizzazione adattivo può essere facilmente attivato dall'impianto elettrico del veicolo senza alcun impatto negativo sul suo funzionamento.
Una soluzione interessante per il camuffamento adattivo dell'equipaggiamento militare Adaptive di BAE Systems
