Літаки ховаються від радіохвиль, субмарини — від звуку, люди — від хвиль світлового діапазону
Вже з першої в історії полювання і тим паче з першого збройного конфлікту між людьми почалося розвиток засобів маскування. До середини минулого століття для того, щоб ворог не помітив техніку і людей, достатньо було не створювати зайвого шуму, дотримуватися світломаскування вночі і не виділятися на навколишній місцевості вдень. Радіолокатори, приціли нічного бачення, тепловізори і т. д. в корені змінили ситуацію. І тепер вже тисячі умів напружено працюють над одним завданням: як зробити військову техніку і особовий склад невидимими.
Теорія: для різної техніки — свій діапазон хвиль
Технології зниження помітності бойових машин у радіолокаційному, інфрачервоному та інших областях спектру за допомогою спеціально підібраних геометричних форм, матеріалів і покриттів отримали назву стелс-технологій (від англ. stealth — «виверт» або «невидимий»).
У багатьох випадках немає ніякої необхідності робити техніку або людей невидимими в стилі казкової шапки-невидимки або книг Джоан Роулінг чи Герберта Уеллса. Літаку в першу чергу важливо, щоб його заздалегідь не торкнулися промені ворожих радіолокаторів. Тому що «візуальний контакт» (тобто шанс побачити ворога неозброєним оком) в сучасній війні взагалі може не відбутися: крилаті ракети відокремлюються від літака і спрямовуються до мети ще за десятки кілометрів. Інша справа — уникнути засвічення ворожими радиолокаторами: вони можуть помітити ворога мало не на аеродромі і піднімуть на вуха всю систему протиповітряної оборони. Так що витрачатися на невидимий для людського ока бомбардувальник поки немає сенсу: він повинен бути невидимий в радіо – й інфрачервоному діапазоні.
Все вищесказане повною мірою відноситься і до надводним судам. А ось підводні човни шукають по шуму гвинтів, тому для субмарин важлива безшумність. А також, за аналогією з авіацією, поменше світитися на екранах сонарів, іншими словами — «невидимість» у звуковому діапазоні хвиль.
Нарешті, для наземної і повітряної техніки, як правило, має потужні двигуни, важливо поменше світитися в інфрачервоному діапазоні.
Авіація: більше прямих ліній і холодний вихлоп
Основним засобом виявлення літальних апаратів і суден стали радіолокаційні станції (РЛС). Антена радіолокатора посилає сигнал в контрольоване їм простір. Він відбивається від розташованих там об’єктів у всі сторони, в тому числі — в напрямку приймальної антени. За часом, необхідному сигналом для подолання шляху від РЛС об’єкта і назад, обчислюється відстань. Після обробки інформації про зміну властивостей сигналу (послаблення, зміна частоти і т. д.) обчислювальний комплекс РЛС може видати ще багато чого важливого про об’єкт. Одним словом, чим краще літак, ракета або корабель відображає радіохвилі, тим на більшій відстані його можна виявити і пізнати.
Радіолокаційна «невидимість» (якщо говорити коректно — малопомітність) досягається застосуванням деяких конструктивних особливостей. Вони дозволяють відображати радіолокаційні хвилі в бік від випромінюючої ворожої РЛС. Також в ходу спеціальні матеріали і покриття, завдання яких — поглинати енергію власних радіолокаційних і електронних систем.
Форма
У поперечному перерізі такі літаки роблять вузькими, навіть плоскими, з мінімальною кількістю виступів. Плавні, криволінійні поверхні застосовуються мінімально, замість них — площині і гострі кути, що відображають радіохвилі куди завгодно, тільки не назад у бік радара. Для вирішення цієї ж задачі зростає стреловидность крил і з’являється V-образне хвостове оперення.
Поверхня
«Невидимки» ретельно покриваються особливим складом. Падаюче на нього електромагнітне випромінювання змушує намагнічені мікрочастинки, що входять до складу диво-покриття, змінювати свою орієнтацію. На цей процес витрачається енергія випромінювання: воно поглинається, і тільки невелика йде назад у простір. Нарешті, в конструкції максимально використовуються композитні матеріали, погано відображають радіохвилі.
Тепло
Літак «світиться» не тільки в промені радіолокатора: розпечений двигун і такий же шлейф газів за ним чудово видно в інфрачервоному діапазоні. Такі теплі місця чудово виявляють головки наведення ракет.
Наприклад, скільки не старалися конструктори надзвукового стратегічного розвідника ВПС США SR-71 (навіть цезій додавали в паливо для зниження температури вихлопу), літак відмінно виявлявся по потоку вихлопних газів. А ще додавався нагрів корпусу на великих швидкостях за рахунок тертя об повітря.
Тому стали застосовувати двигуни, створюють широку вихлопну струмінь з меншою температурою. Плюс до системи додали примусове охолодження.
Субмарини: виручить «луска» з метаматеріалів
У Пенсільванському університеті (США) розроблено покриття, здатне дуже ефективно поглинути і переломити поширюються під водою акустичні хвилі — ті самі, якими промацують товщі океанів гідролокатори в пошуках ворожих підводних човнів. У винаходу американців відображення і розсіювання звукових хвиль мінімально, і виходить, що ворожий сонар просто не бачить знаходиться в зоні дії об’єкт.
Маскує субмарину покриття складається з комірок з розмірами, які менше довжини акустичних хвиль. Виготовляють його з металевих пластинок, перфорованих особливим чином.
Випробування елементів майбутнього покриття проводилися в заповненому водою басейні з джерелом звукових хвиль частотою 7-12 кГц та безліччю гидрофонов. Вони дали об’ємну картину поведінки звукових коливань в басейні. Виявилося, що піраміда нового матеріалу навіть якщо і відображала хвилі в зворотному напрямку, то фаза, амплітуда і інші параметри звукових хвиль не збігалися з параметром хвиль, що відбиваються від поверхні якого-небудь об’єкта. Така ситуація вкрай утрудняє роботу гідролокатора.
Елемент покриття
Приклад з покриттям для субмарин цікавий застосуванням так званих метаматеріалів. Цим терміном визначають рукотворні матеріали, що володіють складною внутрішньою та поверхневої структурами. Завдяки цьому вони здобувають властивості, яких немає у матеріалів природного походження. Як правило, метаматеріали є композитами, в основі яких метали, кераміка, різні пластики.
Видиме світло: лазер і скловолокно в допомогу
Звичайно, підсвідомо при слові «невидимка» все представляють можливість стати недосяжним для поглядів інших людей. Тобто стати невидимим у світловому діапазоні хвиль.
Роботи в області оптичної «невидимості» ведуться давно, і є деякі успіхи. Поки що вдавалося попрацювати з дрібними об’єктами. Дуже дрібними: їх розміри співмірні з довжиною хвилі світла. Також успіх досягнутий для вузького діапазону хвиль. Але ці технології жахливо дороги. І новий метод, запропонований в Університеті Пердью (США), дозволяє обійти ці труднощі.
Він базується на застосуванні скловолоконних світловодів, поверхні яких огранили особливим чином. Опромінення лазером такого світловода дозволяє «приховати» об’єкт, розміри якого в сотні разів більше довжини хвилі. Розробники вважають, що якщо покрити поверхню об’єкта такими світловодами, його можна сховати. Скловолоконний світловод володіє широкою смугою пропускання, тому пропонована технологія «стелс» повинна працювати успішно в усьому діапазоні видимого світла.
Розробка американців базується на новій галузі — перетворювальної оптиці. Успіхи в цьому напрямку, крім обговорюваної тут невидимості, очікуються на різних напрямках технологій: гиперлинзы для мікроскопів з немислимою для нинішньої техніки силою збільшення, які дають надію побачити своїми очима, наприклад, ДНК. Або створення комп’ютерів, в яких замість електричних імпульсів використовують світлові.
Ще ідея: наномагніти змусять світло огинати об’єкт
Голландські фахівці запропонували свій підхід у справі створення шапки-невидимки. Команда з Інституту атомної і молекулярної фізики AMOLF спробували відхилити промені світла, впливаючи на магнітну складову світлової хвилі. Ідея полягає в наступному.
Нагадаємо, світло — це електромагнітна хвиля. Вплив на одну з цих складових може змінити параметри хвилі. В тому числі і напрям.
Але для того щоб впливати на магнітні поля тієї частоти, яка відповідає світловим хвилям, жоден з наявних у розпорядженні людини природних (так і синтетичних) матеріалів не підходить. Всі вони погано взаємодіють з перемінним магнітним полем тієї частоти, з якою воно змінюється в світлової хвилі.
Довелося використовувати вже згадувані у цій статті метаматеріали. І вчені з AMOLF розробили покриття, що складається з так званих «наноколец».
Світлові хвилі (ще раз нагадуємо — це електромагнітні коливання) наводять у нанокольцах змінний струм, і кожне з них в підсумку перетворюється в мікроскопічний магніт. Полярність кожного змінюється 500 млрд разів в секунду. Працюючи спільно, міріади наномагніти справляють вплив як на магнітну, так і на електричну складові хвиль.
У ході експериментів з’ясувалося, що наномагніти здатні створювати над поверхнею метаматеріалу наведені електромагнітні коливання. Вони являють собою особливу середовище: в ній що падають на поверхню об’єкта світлові хвилі рухаються з тим, що огинає лініями уздовж контуру. А оскільки промені відбиваються від предмета і не потрапляють на сітківку ока спостерігача, то побачити його, відповідно, немає можливості.
Слід зауважити, що повідомлення про винахід з’явилося ще у 2010 р. Журнал Science вніс його навіть в десятку наукових проривів першого десятиліття XXI століття. Але після цього нічого нового про цьому цікавому проекті почути не довелося — хіба що команда розробників тканини-невидимки заявила, що самим енергійним чином працює над розширенням спектру хвиль, з яким зможе працювати їх винахід.
Наука і технології