Теория: для разной техники — свой диапазон волн
Технологии снижения заметности боевых машин в радиолокационном, инфракрасном и других областях спектра при помощи специально подобранных геометрических форм, материалов и покрытий получили название стелс-технологий (от англ. stealth — «уловка» или «невидимый»).
Во многих случаях нет никакой необходимости делать технику или людей невидимыми в стиле сказочной шапки-невидимки или книг Джоан Роулинг или Герберта Уэллса. Самолету в первую очередь важно, чтобы его заранее не коснулись лучи неприятельских радиолокаторов. Потому что «визуальный контакт» (т. е. шанс увидеть врага невооруженным глазом) в современной войне вообще может не состояться: крылатые ракеты отделяются от самолета и устремляются к цели еще за десятки километров. Другое дело — избежать засветки вражескими радиолокаторами: они могут заметить неприятеля чуть ли не на аэродроме и поднимут на уши всю систему противовоздушной обороны. Так что тратиться на невидимый для человеческого глаза бомбардировщик пока смысла нет: он должен быть невидим в радио- и инфракрасном диапазоне.
Все вышесказанное в полной мере относится и к надводным судам. А вот подводные лодки ищут по шуму винтов, поэтому для субмарин важна бесшумность. А также, по аналогии с авиацией, поменьше светиться на экранах сонаров, иными словами — «невидимость» в звуковом диапазоне волн.
Наконец, для наземной и воздушной техники, как правило, имеющей мощные двигатели, важно поменьше светиться в инфракрасном диапазоне.
Авиация: больше прямых линий и холодный выхлоп
Основным средством обнаружения летательных аппаратов и судов стали радиолокационные станции (РЛС). Антенна локатора посылает сигнал в контролируемое им пространство. Он отражается от находящихся там объектов во все стороны, в том числе — в направлении приемной антенны. По времени, необходимом сигналу для преодолении пути от РЛС объекта и обратно, вычисляется расстояние. После обработки информации об изменении свойств сигнала (ослабление, изменение частоты и т. д.) вычислительный комплекс РЛС может выдать еще много чего важного об объекте. Одним словом, чем лучше самолет, ракета или корабль отражает радиоволны, тем на большем расстоянии его можно обнаружить и опознать.
Радиолокационная «невидимость» (если говорить корректно — малозаметность) достигается применением некоторых конструктивных особенностей. Они позволяют отражать радиолокационные волны в сторону от излучающей неприятельской РЛС. Также в ходу специальные материалы и покрытия, задача которых — поглощать энергию собственных радиолокационных и электронных систем.
Форма
В поперечном сечении такие самолеты делают узкими, даже плоскими, с минимальным количеством выступов. Плавные, криволинейные поверхности применяются минимально, вместо них — плоскости и острые углы, отражающие радиоволны куда угодно, только не обратно в сторону радара. Для решения этой же задачи возрастает стреловидность крыльев и появляется V-образное хвостовое оперение.
Поверхность
«Невидимки» тщательно покрываются особым составом. Падающее на него электромагнитное излучение заставляет намагниченные микрочастицы, входящие в состав чудо-покрытия, менять свою ориентацию. На этот процесс расходуется энергия излучения: оно поглощается, и только небольшая уходит назад в пространство. Наконец, в конструкции максимально используются композитные материалы, плохо отражающие радиоволны.
Тепло
Самолет «светится» не только в луче радиолокатора: раскаленный двигатель и такой же шлейф газов за ним прекрасно видны в инфракрасном диапазоне. Такие теплые места замечательно обнаруживают головки наведения ракет.
Например, сколько ни старались конструкторы стратегического сверхзвукового разведчика ВВС США SR-71 (даже цезий добавляли в топливо для снижения температуры выхлопа), самолет отлично обнаруживался по потоку выхлопных газов. А еще добавлялся нагрев корпуса на больших скоростях за счет трения о воздух.
Поэтому стали применять двигатели, создающие широкую выхлопную струю с меньшей температурой. Плюс в системы добавили принудительное охлаждение.
Субмарины: выручит «чешуя» из метаматериалов
В Пенсильванском университете (США) разработано покрытие, способное очень эффективно поглотить и преломить распространяющиеся под водой акустические волны — те самые, которыми прощупывают толщи океанов гидролокаторы в поисках вражеских подводных лодок. У изобретения американцев отражение и рассеивание звуковых волн минимально, и получается, что неприятельский сонар просто не видит находящийся в его зоне действия объект.
Маскирующее субмарину покрытие состоит из ячеек с размерами, которые меньше длины акустических волн. Изготавливают его из металлических пластинок, перфорированных особым образом.
Испытания элементов будущего покрытия проводились в заполненном водой бассейне с источником звуковых волн частотой 7—12 кГц и множеством гидрофонов. Они дали объемную картину поведения звуковых колебаний в бассейне. Оказалось, что пирамида из нового материала даже если и отражала волны в обратном направлении, то фаза, амплитуда и прочие параметры звуковых волн не совпадали с параметром волн, отражаемых от поверхности какого-нибудь объекта. Такая ситуация безнадежно затрудняет работу гидролокатора.
Элемент покрытия
Пример с покрытием для субмарин интересен применением так называемых метаматериалов. Этим термином определяют рукотворные материалы, обладающие сложной внутренней и поверхностной структурами. Благодаря этому они приобретают свойства, которых нет у материалов природного происхождения. Как правило, метаматериалы являются композитами, в основе которых металлы, керамика и различные пластики.
Видимый свет: лазер и стекловолокно в помощь
Конечно, подсознательно при слове «невидимка» все представляют возможность стать недосягаемым для взглядов других людей. То есть стать невидимым в световом диапазоне волн.
Работы в области оптической «невидимости» ведутся давно, и есть некоторые успехи. Пока что удавалось поработать с мелкими объектами. Очень мелкими: их размеры соизмеримы с длиной волны света. Также успех достигнут для узкого диапазона волн. Но эти технологии чудовищно дороги. И новый метод, предложенный в Университете Пердью (США), позволяет обойти эти затруднения.
Он базируется на применении стекловолоконных световодов, поверхности которых огранили особым образом. Облучение лазером такого световода позволяет «скрыть» объект, размеры которого в сотни раз больше длины волны. Разработчики считают, что если покрыть поверхность объекта такими световодами, его можно спрятать целиком. Стекловолоконный световод обладает широкой полосой пропускания, поэтому предлагаемая технология «невидимости» должна работать успешно во всем диапазоне видимого света.
Разработка американцев базируется на новой отрасли — преобразовательной оптике. Успехи в этом направлении, помимо обсуждаемой здесь невидимости, ожидаются на разных направлениях технологий: гиперлинзы для микроскопов с немыслимой для нынешней техники силой увеличения, которые дают надежду увидеть своими глазами, например, ДНК. Или создание компьютеров, в которых вместо электрических импульсов используют световые.
Еще идея: наномагниты заставят свет огибать объект
Голландские специалисты предложили свой подход в деле создания шапки-невидимки. Команда из Института атомной и молекулярной физики AMOLF попробовали отклонить лучи света, воздействуя на магнитную составляющую световой волны. Идея заключается в следующем.
Напомним, свет — это электромагнитная волна. Воздействие на одну из этих составляющих может изменить параметры волны. В том числе и направление.
Но для того чтобы воздействовать на магнитные поля той частоты, которая соответствует световым волнам, ни один из имеющихся в распоряжении человека природных (да и синтетических) материалов не подходит. Все они плохо взаимодействуют с переменным магнитным полем той частоты, с которой оно меняется в световой волне.
Пришлось использовать уже упоминавшиеся в этой статье метаматериалы. И ученые из AMOLF разработали покрытие, состоящее из так называемых «наноколец».
Световые волны (еще раз напоминаем — это электромагнитные колебания) наводят в нанокольцах переменный ток, и каждое из них в итоге превращается в микроскопический магнит. Полярность каждого изменяется 500 млрд раз в секунду. Работая совместно, мириады наномагнитов оказывают воздействие как на магнитную, так и на электрическую составляющие волн.
В ходе экспериментов выяснилось, что наномагниты способны создавать над поверхностью метаматериала наведенные электромагнитные колебания. Они представляют собой особую среду: в ней падающие на поверхность объекта световые волны движутся по огибающим линиям вдоль контура. А поскольку лучи не отражаются от предмета и не попадают на сетчатку глаза наблюдателя, то и увидеть его, соответственно, нет возможности.
Следует заметить, что сообщение об изобретении появилось еще в 2010 г. Журнал Science внес его даже в десятку научных прорывов первого десятилетия XXI века. Но после этого ничего нового об этом интересном проекте услышать не довелось — разве что команда разработчиков ткани-невидимки заявила, что самым энергичным образом работает над расширением спектра волн, с которым сможет работать их изобретение.
